(57)【要約】本発明は、ヒートポンプ設備（１）の運転方法に関する。作動流体が、ヒートポンプ設備（１）の方向性を有する作動回路（１００）内を循環し、作動流体が、圧縮機（２０，…，２５）により圧縮されて凝縮器（４）により凝縮され、作動流体の質量流が、第１および第２の蒸発器（３１，３２）への導入管の上流側で分配されて第１および第２の蒸発器（３１，３２）に並列に供給され、作動流体が、第１の蒸発器（３１）において第１の蒸発圧力（４１１）で蒸発させられ、第２の蒸発器（３２）において第１の蒸発圧力（４１１）に比べて低減された第２の蒸発圧力（４１２）で蒸発させられる。本発明によれば、第１の蒸発器（３１）が、第１の熱源温度を有する第１の熱源（４１）と熱的に結合され、第２の蒸発器（３２）が、第１の熱源温度に比べて低い第２の熱源温度を有する第２の熱源（４２）と熱的に結合される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体が、ヒートポンプ設備（１）の方向性を有する作動回路（１００）内を循環し、
前記作動流体が、圧縮機（２０，…，２５）により圧縮されて凝縮器（４）により凝縮され、
前記作動流体の質量流が、第１および第２の蒸発器（３１，３２）への導入管の上流側で分配されて前記第１および第２の蒸発器（３１，３２）に並列に供給され、
前記作動流体が、前記第１の蒸発器（３１）において第１の蒸発圧力（４１１）で蒸発させられ、
前記第２の蒸発器（３２）において前記第１の蒸発圧力（４１１）に比べて低減された第２の蒸発圧力（４１２）で蒸発させられる、
ヒートポンプ設備（１）の運転方法において、
前記第１の蒸発器（３１）が、第１の熱源温度を有する第１の熱源（４１）と熱的に結合され、
前記第２の蒸発器（３２）が、前記第１の熱源温度に比べて低い第２の熱源温度を有する第２の熱源（４２）と熱的に結合されることを特徴とするヒートポンプ設備（１）の運転方法。
【請求項２】
前記第１および第２の熱源（４１，４２）として、それぞれ、発電所、特にガス・蒸気・コンバインドサイクル発電所の異なる排熱が使用される、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記第１の熱源（４１）として煙道ガスの排熱が使用され、
前記第２の熱源（４２）として変圧器冷却の排熱が使用される、請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記熱源（４１，４２）の少なくとも１つのために、煙道ガス、変圧器冷却、伝動装置冷却、モータ冷却、排熱回収ボイラのハウジングの復水器冷却、ガスタービン防音カバー、発電機冷却および／または潤滑媒体供給の排熱が使用される、請求項２または３記載の方法。
【請求項５】
前記作動流体が、前記第１の蒸発器（３１）への導入管の上流側では第１の膨張弁（５１）に、
前記第２の蒸発器（３２）への導入管の上流側では第２の膨張弁（５２）に、並列に供給される請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
圧縮（１２０）のために第１および第２の圧縮機（２１，２２）が使用され、
前記第１の蒸発器（３１）から導き出された作動流体が前記第１の圧縮機（２１）に供給され、
前記第２の蒸発器（３２）から導き出された作動流体が前記第２の圧縮機（２２）に供給される、請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記第１および第２の圧縮機（２１，２２）のために共通のモータ軸（１０）が使用される、請求項６記載の方法
【請求項８】
圧縮（１２０）のために共通の圧縮機（２０）が使用され、前記第１および第２の蒸発器（３１，３２）から導き出された作動流体が前記共通の圧縮機（２０）に供給される、請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記第１の蒸発器（３１）から導き出された作動流体が、前記共通の圧縮機（２０）への導入管の上流側で第１の逆止弁（６１）へ導かれ、
前記第２の蒸発器（３２）から導き出された作動流体が、前記共通の圧縮機（２０）への導入管の上流側で第２の逆止弁（６２）へ導かれる、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記共通の圧縮機（２０）として多段式のターボ圧縮機（２０）が使用され、
前記第１の蒸発器（３１）から導き出された作動流体が前記ターボ圧縮機（２０）の第１の圧縮機段（２０１）に供給され、
前記第２の蒸発器（３２）から導き出された作動流体が前記ターボ圧縮機（２０）の第２の圧縮機段（２０２）に供給される、請求項８または９記載の方法。
【請求項１１】
前記第１および／または第２の蒸発器（３１，３２）から導き出された作動流体の部分質量流（７１，７２）の調節が、前記共通の圧縮機（２０）への導入管の上流側で行われる、請求項８から１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１および第２の圧縮機（２１，２２）または前記共通の圧縮機（２０）から導き出された作動流体が前記凝縮器（４）へ導かれる、請求項６から１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
少なくとも１つの圧縮機（２０，…，２５）と、凝縮器（４）と、少なくとも第１および第２の蒸発器（３１…，２５）とを含むヒートポンプ設備（１）であって、前記ヒートポンプ設備（１）が、
循環する作動流体のための方向性を有する作動回路（１００）を有し、
前記作動回路（１００）が、前記作動流体の質量流を第１および第２の蒸発器（３１，３２）への作動流体の導入管の上流側で分配して前記第１および第２の蒸発器（３１，３２）に並列に供給するように構成されており、
前記第１の蒸発器（３１）が第１の蒸発圧力（４１１）を有し、前記第２の蒸発器（３２）が第１の蒸発圧力（４１１）に比べて低い第２の蒸発圧力（４１２）を有する、
ヒートポンプ設備（１）において、
前記ヒートポンプ設備（１）が少なくとも第１および第２の熱源（４１，４２）を含み、
前記第１の熱源（４１）が第１の熱源温度を有し、前記第２の熱源（４２）が第１の熱源温度に比べて低い第２の熱源温度を有し、
前記第１の熱源（４１）が前記第１の蒸発器（３１）と熱的に結合され、前記第２の熱源（４２）が前記第２の蒸発器（３２）と熱的に結合されていることを特徴とするヒートポンプ設備（１）。
【請求項１４】
第１および第２の圧縮機（２１，２２）を有しており、
前記第１の蒸発器（３１）から導き出される作動流体を前記第１の圧縮機（２１）に導き、
前記第２の蒸発器（３２）から導き出される作動流体を前記第２の圧縮機（２２）に導くように、前記ヒートポンプ設備（１）の前記作動回路（１００）が構成されている、請求項１３記載のヒートポンプ設備（１）。
【請求項１５】
前記第１および第２の圧縮機（３１，３２）が、共通のモータ軸（１０）を有することを特徴とする請求項１４記載のヒートポンプ設備（１）。
【請求項１６】
共通の圧縮機（２０）を有しており、
前記第１および第２の蒸発器（３１，３２）から導き出される作動流体を前記共通の圧縮機（２０）へ導くように、前記ヒートポンプ設備（１）の前記作動回路（１００）が構成されている、請求項１３記載のヒートポンプ設備（１）。
【請求項１７】
前記共通の圧縮機（２０）が多段式のターボ圧縮機（２０）として構成されていることを特徴とする請求項１６記載のヒートポンプ設備（１）。
【請求項１８】
少なくとも１つの膨張弁（５１，…，５５）および／または少なくとも１つの質量流調節器（７１，…，７４）を有する、請求項１３から１７のいずれか１項に記載のヒートポンプ設備（１）。
【請求項１９】
発電所、特にガス・蒸気・コンバインドサイクル発電所が、請求項１３から１８のいずれか１項に記載のヒートポンプ設備（１）を有することを特徴とする発電所、特にガス・蒸気・コンバインドサイクル発電所。
【請求項２０】
前記熱源が異なる温度に調節された発電所排熱源として構成されていることを特徴とする請求項１９記載の発電所。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプ設備の運転方法、少なくとも２つの蒸発器を有するヒートポンプ設備、ならびに本発明によるヒートポンプ設備を有する発電所、特にガス・蒸気・コンバインドサイクル発電所（独語：Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk、略してGuD-Kraftwerk）に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヒートポンプでは、作動流体が方向性を有する作動回路においてヒートポンプ内を循環する作動流体の蒸発によって、作動流体の蒸発によって、熱源から熱エネルギー、即ち熱が吸収されてヒートシンクに放出される。その際に、吸収された熱エネルギーは、圧縮機により、高められた圧力レベルにもち込まれ、次に、蒸発温度に比べて高められた凝縮温度において凝縮される。作動流体の蒸発温度と凝縮温度との間の定量的な差（温度行程）が大きいほど、ヒートポンプの効率が低い。ヒートポンプの効率は、成績係数（英語：Coefficient of  Performance；COP）により測定され、その成績係数は、理想上、カルノーサイクルの効率の逆数によって与えられている。
【０００３】
例えば、蒸発温度が４０℃で、温度行程が１００Ｋである場合に、成績係数は４．１３である。この場合に、１４０℃の凝縮温度において作動流体の凝縮が生じる。
【０００４】
それゆえヒートポンプの高い効率を達成するためには、蒸発温度、即ち、作動流体の蒸発が行われる温度が、できるだけ高くなければならない。さらに、熱源から作動流体への熱エネルギーの伝達は、熱源の温度と蒸発温度との間のできるだけ少ない温度差において行われるのが有利である。
【０００５】
特に、公知のヒートポンプまたは公知のヒートポンプ設備により、温度調節された多数のさまざまの熱源を、それらの熱容量に関して、効率的に利用することは、通常できない。従って、従来技術によれば、このような熱源の熱の大部分は利用されないままである。
【０００６】
温度調節されたさまざまの熱源の熱利用が上述のように十分でない理由は、従来技術に基づいて使用されるヒートポンプが、熱源（熱源側）から熱を吸収する際に、温度グライドを全く持たないことにある。即ち、ヒートポンプの作動流体の蒸発が、通常、等温的に生じ、従って蒸発温度の大幅な変化なしに生じることにある。
【０００７】
特許文献１から、本出願の請求項１のプリアンブル部による方法が公知である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２０１４２１３５４２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の課題は、多数のさまざまの熱源からの熱獲得または熱回収を改善することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この課題は、独立の請求項１の特徴事項を有する方法、独立の請求項１３の特徴事項、ならびに独立の請求項１９の特徴事項によって解決される。従属の請求項には、本発明の有利な実施形態および発展形態が記載されている。
【００１１】
本発明によるヒートポンプの運転方法では、作動流体が、ヒートポンプ設備の方向性を有する作動回路内を循環する。作動流体が、圧縮機により圧縮されて凝縮器により凝縮される。本発明によれば、作動流体の質量流が、少なくとも第１および第２の蒸発器への導入管の上流側で分配されて少なくとも第１および第２の蒸発器に並列に供給され、作動流体が、第１の蒸発器においては第１の蒸発圧力で蒸発し、第２の蒸発器においては第１の蒸発圧力と比べて低減された第２の蒸発圧力で蒸発する。
【００１２】
さらに、本発明によれば、第１の蒸発器が、第１の熱源温度を有する第１の熱源に熱的に結合され、第２の蒸発器が、第１の熱源温度と比べて低い第２の熱源温度を有する第２の熱源に熱的に結合される。
【００１３】
換言するならば、作動流体の質量流が、第１および第２の蒸発器への導入管の上流側で分配されて、第１の部分質量流が第１の蒸発器に導かれ、第２の部分質量流が第２の蒸発器に導かれる。
【００１４】
本発明によれば、作動流体の蒸発は、２つの並列の方法ステップにおいて行われ、即ち、作動流体の蒸発は、作動流体の質量流に関して並列接続された２つの蒸発器において行われる。この場合に、本発明によれば、第１の蒸発器は、第２の蒸発器と比べて高められた蒸発圧力を有する。第１の蒸発圧力と比べて低下した第２の蒸発圧力に基づいて、第２の蒸発器による作動流体の蒸発が、第１の蒸発器内の第１の蒸発温度と比べて低下した第２の蒸発温度において行われる。
【００１５】
第１の熱源が、第１の蒸発器へ導かれ、即ち第１の蒸発器と熱的に結合され、かつ第２の熱源が、第２の蒸発器に導かれ、即ち第２の蒸発器と熱的に結合される場合に、それらの熱源の熱エネルギーはカスケード状に使用される。従って、それぞれの蒸発温度、即ち、第１の蒸発器および／または第２の蒸発器において作動流体の蒸発が行われる温度は、それぞれの蒸発器と熱的に結合された熱源の熱源温度に適合させることができる。
【００１６】
換言するならば、本発明によれば、各蒸発器が異なる１つの熱源と熱的に結合される。この場合に、これらの蒸発器は、作動回路に関して並列接続されている。それによって、作動流体の複数段の、少なくとも２段の蒸発が異なる圧力レベルで行われる。
【００１７】
従って、本発明による複数段の、少なくとも２段の蒸発によって、ヒートポンプ設備の熱源側での温度グライドが可能にされる。それによって、さまざまに温度調節された複数の熱源（第１の熱源および第２の熱源）を、ヒートポンプ設備の効率を低下させることなく、効率的にヒートポンプ設備により熱的に利用することができる。換言するならば、本発明により、異なる温度レベルにある複数の熱源を効率的に結合することができる。
【００１８】
本発明によるヒートポンプ設備は、少なくとも１つの圧縮機と、１つの凝縮器と、少なくとも第１および第２の蒸発器とを含み、ヒートポンプ設備が、循環する作動流体のための方向性を有する作動回路を有する。本発明によれば、ヒートポンプ設備の前記作動回路が、作動流体の質量流を第１および第２の蒸発器への作動流体の導入管の上流側で分配して第１および第２の蒸発器に並列に供給するように構成されており、第１の蒸発器が第１の蒸発圧力を有し、第２の蒸発器が第１の蒸発圧力と比べて低い第２の蒸発圧力を有する。
【００１９】
さらに、本発明によれば、ヒートポンプ設備が少なくとも第１および第２の熱源を含み、第１の熱源が第１の熱源温度を有し、第２の熱源が第１の熱源温度に比べて低い第２の熱源温度を有し、第１の熱源が第１の蒸発器と熱的に結合され、第２の熱源が第２の蒸発器と熱的に結合されている。
【００２０】
本発明によるヒートポンプ設備により、熱源側に温度グライドを有するランキン−ヒートポンププロセスが可能にされる。さらに異なる温度レベルにある複数の熱源を効率的に１つのヒートポンプ回路に組み込むことができる。既述の本発明による方法と同様のかつ同等の利点がもたらされる。
【００２１】
本発明による発電所は、本発明によるヒートポンプ設備を有する。
【００２２】
本発明による方法および本発明によるヒートポンプ設備と同様のかつ同等の利点がもたらされる。
【００２３】
好ましくは、複数の熱源が、発電所における異なる温度に調節された排熱源として構成されているとよい。
【００２４】
本発明の有利な実施形態によれば、第１および第２の熱源として、発電所、特にガス・蒸気・コンバインドサイクル発電所におけるそれぞれ１つの異なる排熱が使用される。
【００２５】
それによって、有利に、例えば発電所の運転によって発生する多くの発電所排熱を回収することができる。さらに、有利に、冷却装置を削減することができるので、投資コストを低減することができる。このことは、特にガス・蒸気・コンバインドサイクル発電所にとって有利である。なぜならば、ガス・蒸気・コンバインドサイクル発電所は、通常、多数のさまざまの排熱源を有するからである。
【００２６】
この場合に、第１の熱源として煙道ガスの排熱を使用し、第２の熱源として変圧器冷却の排熱を使用すると、格別に好適である。
【００２７】
その格別に好適である理由は、前述の熱源が通常は他の熱源に対して高い温度を有するからである。
【００２８】
本発明の有利な実施形態では、少なくとも、複数の熱源のうちの１つについて、煙道ガスの排熱、変圧器冷却の排熱、ギヤ冷却の排熱、モータ冷却の排熱、排熱回収ボイラのハウジングの凝縮装置冷却の排熱、ガスタービン防音カバーの排熱、発電機冷却の排熱および／または潤滑材供給の排熱が使用される。
【００２９】
有利なことに、それによって、発電所の多数の排熱源を熱エネルギー回収に利用することができる。それによって、発電所の効率が高められる。
【００３０】
本発明の有利な実施形態によれば、作動流体が、第１の蒸発器への導入管の上流側では第１の膨張弁に、第２の蒸発器への導入管の上流側では第２の膨張弁に、並列に供給される。
【００３１】
換言するならば、作動流体の緩和もしくは膨張は、第１および第２の膨張弁により、並列に行われることが好ましい。このために、作動流体の質量流が、第１および第２の蒸発器の上流側で、かつ第１および第２の膨張弁の上流側で、第１および第２の部分質量流に分配され、第１の部分質量流が第１の膨張弁へ導かれ、第２の部分質量流が第２の膨張弁へ導かれる。第１の膨張弁により作動流体が第１の蒸発圧力に至らしめられ、第２の膨張弁により作動流体が第２の蒸発圧力に至らしめられる。換言するならば、第１の膨張弁により第１の蒸発器における第１の蒸発圧力が調整され、第２の膨張弁により第２の蒸発器における蒸発圧力が調整される。
【００３２】
本発明の好ましい実施形態によれば、作動流体の圧縮のために第１および第２の圧縮機が使用され、第１の蒸発器から導き出された作動流体が第１の圧縮機に供給され、第２の蒸発器から導き出された作動流体が第２の圧縮機に供給される。
【００３３】
換言するならば、作動流体の圧縮は、既に述べた作動流体の蒸発と同様に、好ましくは並列に行われる。作動流体の部分質量流が分配されて第１および第２の膨張弁に導かれ、次に、第１および第２の蒸発器に供給され、そして第１および第２の蒸発器の下流側で、第１および第２の圧縮機の各入口に導入される。従って、作動流体の膨張、蒸発および圧縮が２つの部分質量流により並列に行われる。
【００３４】
第１の圧縮機および第２の圧縮機のために共通のモータ軸を使用することが格別に好適である。
【００３５】
それによって、圧縮の効率が高められる。
【００３６】
本発明の格別に好ましい実施形態によれば、圧縮のために共通の圧縮機が使用され、第１および第２の蒸発器から導き出された作動流体がその共通の圧縮機に供給される。
【００３７】
換言するならば、作動流体の圧縮は、１つの方法ステップ、即ち、共通の圧縮機において行われる。この場合に、共通の圧縮機と呼ばれるのは、第１および第２の蒸発器の部分質量流が作動流体の圧縮のために導入される１つの圧縮機である。それによって、ヒートポンプ設備の作動回路内において作動流体の効率的で好適な圧縮がもたらされる。
【００３８】
好ましくは、第１の蒸発器から導き出された作動流体が、前記共通の圧縮機への導入管の上流側で第１の逆止弁へ導かれ、第２の蒸発器から導き出された作動流体が、前記共通の圧縮機への導入管の上流側で第２の逆止弁へ導かれる。
【００３９】
それによって、有利に、第１および第２の蒸発器における異なる圧力レベルが（圧力−）逆戻りを招かないことが保証される。
【００４０】
格別に好ましくは、共通の圧縮機が、多段式のターボ圧縮機として構成されているとよい。この場合に、第１の蒸発器から導き出された作動流体が前記ターボ圧縮機の第１の圧縮機段に供給され、第２の蒸発器から導き出された作動流体が前記ターボ圧縮機の第２の圧縮機段に供給される。
【００４１】
従って、作動流体の複数の部分質量流が、ターボ圧縮機の圧縮機段を介して再び１つの質量流に纏められ。それによって、ターボ圧縮機内の作動流体の質量流は、圧縮機段から圧縮機段へと増加していく。有利なことに、それによって、質量流調節器の使用を省略することができる。というのは、質量流の調節をターボ圧縮機の圧縮機段により行うことができるからである。
【００４２】
本発明の好適な実施形態によれば、第１および／または第２の蒸発器から導き出された作動流体の部分質量流の調節が、前記共通の圧縮機への導入管の上流側で行われる。
【００４３】
それによって、特に共通の圧縮機を使用する場合に、作動流体は、第１および第２の蒸発器から吸い出されて、その共通の圧縮機に供給される。調節は質量流調節器により行うことができる。
【００４４】
本発明の有利な発展形態によれば、第１および第２の圧縮機または前記共通の圧縮機から導き出された作動流体が前記凝縮器へ導かれる。
【００４５】
換言するならば、作動流体の凝縮が、好ましくはヒートポンプ設備の作動回路内で１つの共通の凝縮器において行われる。
【００４６】
一般に、ヒートポンプ設備の作動回路は、第１の蒸発器から導き出された作動流体が第１の圧縮機へ導かれ、第２の圧縮機から導き出された作動流体が第２の圧縮機へ導かれるように構成されているとよい。さらに、ヒートポンプ設備の作動回路は、第１および第２の蒸発器から導き出された作動流体が前記共通の圧縮機へ導かれるように構成され、特に前記共通の圧縮機のために、１つの多段式のターボ圧縮機が設けられているとよい。
【００４７】
さらに、ヒートポンプ設備は、少なくとも１つの膨張弁か、１つの質量流および／または複数の質量流を調節するための少なくとも１つの質量流調節器か、それらのうちいずれか一方または両方を含むとよい。
【００４８】
以下に記載する実施例から、ならびに図面に基づいて、本発明の他の利点、特徴および詳細を明らかにする。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】図１は、５つの圧縮機と５つの蒸発器と５つの異なる熱源とを有し、圧縮機および蒸発器がヒートポンプ設備の作動流体の質量流に関して並列に接続されているヒートポンプ設備の概略接続図を示す。
【図２】図２は、共通の圧縮機と５つの蒸発器と５つの異なる熱源とを有し、圧縮機がヒートポンプ設備の作動流体の質量流に関して並列に接続されているヒートポンプ設備の概略接続図を示す。
【図３】図３は、１つのターボ圧縮機と５つの蒸発器と５つの異なる熱源とを有し、ヒートポンプ設備の作動流体の質量流に関して蒸発器が並列に接続されているヒートポンプ設備の概略接続図を示す。
【図４】図４本発明による方法の一実施形態の圧力−エンタルピ線図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００５０】
これらの図において、同種類の、同等のまたは同作用の要素には、同一の参照符号が付されている。
【００５１】
以下に示す全ての数値および／または温度値は、例示であって本発明の保護範囲を限定するものではない。さらに、蒸発器、圧縮機、膨張弁、逆止弁、熱源および／または他の要素は、例示であって本発明の保護範囲を限定するものではない。
【００５２】
全般的に、ヒートポンプ設備の方向性を有する作動回路に関しては、例えば、１つの凝縮器の下流側というような、あるいは一般的に言うと、ヒートポンプ設備の１つの要素の下流側または上流側というような、相対的な言い回しを理解するべきである。換言するならば、ヒートポンプ設備の作動回路は方向性を有し、その方向性に関して１つの要素の下流側または上流側で方法ステップが行われ得るということである。
【００５３】
図１には、ヒートポンプ設備１の接続図が概略的に示されている。ヒートポンプ設備１は、５つの蒸発器３１，…，３５と、５つの圧縮機２１，…，２５とを有する。さらに、ヒートポンプ設備１は、膨張弁５１，…，５５を有する。ヒートポンプ設備１の方向性を有する作動回路１００内を循環する作動流体を凝縮させるために、凝縮器４が設けられている。５つの圧縮機２１，…，２５は、共通のモータ軸１０上に配置されている。換言するならば、５つの圧縮機２１，…，２５は、１つのモータにより運転される。
【００５４】
５つの蒸発器３１，…，３５への作動流体の導入管の上流側で質量流が５つの部分質量流に分配され（参照符号１０２によって示されている）、各蒸発器３１，…，３５には、５つの部分質量流のうちの厳密に１つが供給される。
【００５５】
ヒートポンプ設備１の５つの蒸発器３１，…，３５のそれぞれは、それぞれに付設された熱源４１，…，４５に、それぞれ熱的に結合されている。例えば、第１の熱源４１は、少なくとも部分的に煙道ガスの排熱であり、第２の熱源４２は、少なくとも部分的に変圧器冷却の排熱であり、第３の熱源４３は、少なくとも部分的に電動機冷却の排熱であり、第４の熱源４４は、ギヤ冷却の排熱である。上述の排熱源は、通常、発電所、特にガス・蒸気・コンバインドサイクル発電所において存在する。
【００５６】
その際に、例えば、９０℃の熱源温度（その熱源の温度）を有する第１の熱源４１は、第１の蒸発器３１と熱的に接触する。その際に、第１の蒸発器３１内の作動流体の少なくとも一部が、第１の熱源４１から熱エネルギーを吸収して蒸発する。このような作動流体への熱エネルギー放出によって、第１の熱源４１の温度は、例えば７５℃に低下する。第２の熱源４２は、８０℃の熱源温度を有し、第２の蒸発器３２と熱的に結合されている。第３の熱源４３は、６５℃の熱源温度を有し、第３の蒸発器３３と熱的に結合されている。第４の熱源４４は、５５℃の熱源温度を有し、第４の蒸発器３４と熱的に結合されている。他の第５の熱源４５は、第５の蒸発器３５と熱的に結合されている。従って、熱源４１，…，４５は、異なる温度もしくは異なる温度レベルを有する。
【００５７】
熱源４１，…，４５の熱エネルギーは、作動流体によって、理論上もっぱらその流体の蒸発によって吸収される（潜熱）。実際のヒートポンプ設備１においては、作動流体の付加的な僅かの、例えば５Ｋだけの温度上昇（熱伝達時の末端温度差）が生じ得る。
【００５８】
第１の蒸発器３１による第１の熱源４１の冷却後に、第１の熱源４１は７５℃の温度を有する。
【００５９】
第２の蒸発器３２による第１の熱源４２の冷却後に、第２の熱源４２は６５℃の温度を有する。同様に、第３、第４および第５の熱源４３，４４，４５は、それらの熱源にそれぞれ付設された蒸発器３３，３４，３５の下流側で、それぞれ低下させられた温度を有する。
【００６０】
従って、少なくとも５つの蒸発ステップ４１１，…，４１５において、作動流体の蒸発が生じ、その結果として熱源４１，…，４５からヒートポンプ設備１の作動流体への熱伝達が生じる。第１の蒸発器３１における第１の蒸発ステップ４１１は７０℃の蒸発温度を有し、第２の蒸発器３２における第２の蒸発ステップ４１２は６０℃の蒸発温度を有し、第３の蒸発器３３における第３の蒸発ステップ４１３は５０℃の蒸発温度を有し、第４の蒸発器３４における第４の蒸発ステップ４１４は４０℃の蒸発温度を有する。異なる圧力レベルおよび温度レベルでのマルチレベル蒸発によって、ヒートポンプ設備１の成績係数は、異なる温度に調節された熱源４１，…，４５の使用にも拘わらず向上する。
【００６１】
作動流体の収縮もしくは膨張のために、それぞれ１つの部分質量流内に、膨張弁５１，…，５５の少なくとも１つおよび圧縮機２１，…，２５の少なくとも１つが配置されている。
【００６２】
換言すると、作動流体の質量流が凝縮器４の下流側において５つの部分質量流に分配され（１０２）、第１の部分質量流は第１の膨張弁５１へ案内され、第２の部分質量流は第２の膨張弁５２へ案内され、第３の部分質量流は第３の膨張弁５３へ案内され、第４の部分質量流は第４の膨張弁５４へ案内され、最後に第５の部分質量流は第５の膨張弁５５へ案内される。
【００６３】
膨張弁５１，…，５５の下流側において、部分質量流がそれぞれ蒸発器３１，…，３５のうちの１つに導かれ、引き続いてそれぞれ５つの圧縮機２１，…，２５のうちの１つへ導かれ、圧縮機２１，…，２５による作動流体の圧縮後に、それらの部分質量流は、再び、作動流体の共通の質量流に纏められて凝縮器４へ導かれ、それによって、ヒートポンプ設備１の作動流体の方向性を有する作動回路が閉じる。凝縮機４により、作動流体によって熱源４１，…，４５から吸収された熱エネルギーが、凝縮器４と熱的に結合されたヒートシンク１４へ放出されるか、もしくは他の用途に提供される。換言するならば、ヒートシンク１４は、熱負荷として構成されているとよい。
【００６４】
図２は、５つの蒸発器２１，…，２５と共通の圧縮機２０とを有するヒートポンプ設備１の概略接続図を示す。さらに、ヒートポンプ設備１は、作動流体を凝縮し、その結果として熱をヒートシンク１４へ放出するために、１つの凝縮器４を有する。
【００６５】
図１で既に説明したように、熱源４１，…，４５の熱エネルギーの少なくとも一部が、５つの並列接続された蒸発器３１，…，３５により、それらの５つの蒸発器３１，…，３５内の作動流体が少なくとも部分的に蒸発することによって作動流体へ伝達される。各熱源４１，…，４５ごとに、蒸発器３１，…，３５の１つが設けられている。
【００６６】
図１と違って、図２に示した実施例では、作動流体を圧縮するために、共通の圧縮機２０が使用される。ここでは、５つの蒸発器３１，…，３５から出発した作動流体の部分質量流が、その共通の圧縮機２０へ導かれるか、または、既にその共通の圧縮機２０の上流側で再び作動流体の１つの共通の質量流に纏められ、共通の質量流がその共通の圧縮機２０へ導かれる。
【００６７】
個々の蒸発器３１，…，３５内の異なる圧力レベルに起因する（圧力−）逆戻りを回避するために、個々の部分質量流は、それぞれ１つの逆止弁６１，…，６５を通して流れる。さらに、少なくとも４つの質量流調節器７１，…，７４により部分質量流を調節することが適切である。この場合に、質量流調節器７１，…，７４は、作動流体が５つの蒸発器３１，…，３５のそれぞれから吸い出されて共通の圧縮機２０へ導かれることを保証する。  
【００６８】
図３は本発明の格別に好ましい実施形態を示し、この実施形態ではヒートポンプ設備１がターボ圧縮機２０として構成されている共通の圧縮機２０を有する。
【００６９】
既に図１および／または図２で説明したように、ヒートポンプ設備１内を循環する作動流体の蒸発が、複数の並列の蒸発ステップ４１１，…，４１５において行われ、個々の蒸発ステップ４１１，…，４１５は、それぞれ蒸発器３１，…，３５により行われる。従って、個々の蒸発器３１，…，３５は、既に図１および／または図２に示したように、作動流体の質量流に関して並列に接続されている。（圧力）逆戻りを回避するために、ここでも、個々の部分質量流内に逆止弁６１，…，６５が設けられている。作動流体の緩和または膨張が、ここでも複数の膨張弁５１，…，５５により行われる。作動流体の質量流の部分質量流への分配は、既に図１および／または図２に示して説明したように、凝縮器４の下流側で行われる。
【００７０】
個々の部分質量流は、それぞれ、多段式のターボ圧縮機２０の１つの圧縮機段２０１，…，２０５に導かれる。この場合に、個々の圧縮機段２０１，…，２０５への部分質量流の案内は、蒸発器３１，…，３５の下流側で、かつ逆止弁６１，…，６５の下流側で行われる。例えば、第１の蒸発器３１から出発した第１の部分質量流は、第１の逆止弁６１へ案内され、次にターボ圧縮機２０の第１の圧縮機段２０１へ案内される。第２の蒸発器３２から出発した第２の部分質量流は、第２の逆止弁６２へ案内され、次にターボ圧縮機２０の第２の圧縮機段２０２へ案内される。この場合に、圧縮機２０の個々の圧縮機段２０１，…，２０５は、共通のモータ軸１０上に配置されている。
【００７１】
図４には、本発明による方法の一実施形態の圧力−エンタルピ線図が示されている。
【００７２】
ここで、縦軸１１４には、ヒートポンプ設備１の作動回路内の作動流体のその都度における支配的な圧力ｐが示されている。横軸１１６には、圧力ｐに関連した、作動流体の比エンタルピｈが示されている。
【００７３】
圧力−エンタルピ線図における相境界は、飽和液線１２４と飽和蒸気線１２６とによって決定されている。作動流体の蒸発は、図示の理想化された方法では、等温線１１２に沿って行われ、等温線１１２は、飽和液線１２４と飽和蒸気線１２６との間において、横軸１１６に対してほぼ平行に経過する。さらに、図４における線図は、複数の等エントロピ線１１０を示す。
【００７４】
ヒートポンプ設備１の凝縮器４から出発して、まず、ヒートシンクへの熱エネルギーの放出のもとで、作動流体の等温凝縮２３０が行われる。それによって、作動流体の状態２が状態３へ移行する。状態と呼ばれるのは、圧力−エンタルピ線図における作動流体の或る１つの点である。図示の実施例では、その凝縮２３０が１３０℃の凝縮温度において行われる。
【００７５】
それに引き続いて、圧力低下３４０（緩和３４０）が、例えば、作動流体の膨張または緩和により行われる。その際に、状態３が複数の状態４に移行する。作動流体の膨張または緩和３４０は、既に図１〜図３で説明したように並列的に行われる。
【００７６】
作動流体の蒸発は、蒸発ステップ４１１，…，４１５において、複数の並列に接続された蒸発器３１，…，３５により行われる。その際、蒸発ステップ４１１，…，４１５は、ほぼ等温で、もしくは理想的には等温で行われる。その結果として、作動流体の状態４は、蒸発４１１，…，４１５を介して複数の状態１に移行する。さらに、図示されている５つの蒸発ステップ４１１，…，４１５よりも多く設けられていてもよい。
【００７７】
続いて圧縮１２０、即ち、作動流体の圧力上昇が行われ、この圧力上昇が作動流体１の状態１を状態２に戻す。それによって、方向性を有する作動回路１００が閉じられる。作動流体の圧縮１２０は、ここでも、並列の圧縮機２１，…，２５により、または共通の圧縮機２０により行われる。
【００７８】
ヒートポンプ設備の作動流体としては、特に、従来技術において公知の全ての作動流体を使用することができる。さらに、次の物質群、即ち、１，１，１，２，２，４，５，５，５−ノナフルオロ−４−（トリフルオロメチル）−３−ペンタノン（商品名Ｎｏｖｅｃ（登録商標）６４９）、ペルフルオロメチルブタノン、１−クロロ−３，３，３−トリフルオロ−１−プロペン、ｃｉｓ−１，１，１，４，４，４−ヘキサフルオロ−２−ブテンおよび／またはシクロペンタンなる物質群のうち少なくとも１つを含む作動流体が好適である。特に、少なくとも１つのフルオロケトンを含む作動流体が好適である。
【００７９】
上述の作動流体の利点は、技術的な扱いやすさにある。それらの作動流体は、例えば不燃性または非常に低い地球温暖化係数の如き良好な環境適合性および安全特性において抜群である。一般に、物質ペルフルオロメチルブタノンは、フルオロケトンの物質群に属し、これに対してシクロペンタンは、シクロアルカンの物質群に属する。
【００８０】
本発明によれば、ヒートポンプ設備のための方法が提案され、この方法では少なくとも２つの蒸発器の並列接続によってランキン−ヒートポンププロセスが可能にされ、このランキン−ヒートポンププロセスは、異なる温度に調節された複数の熱源からの効率的な熱吸収を温度グライドにより可能にする。それによって、可能な限り効率的に異なる複数の熱源、特に異なる複数の排熱源を利用することができる。ヒートポンプ設備によって熱源から取り込まれる熱エネルギーは、少なくとも部分的に、ヒートポンプ設備による他の用途のために提供することができる。
【００８１】
さらに、本発明による方法の実行または実施を可能にする本発明によるヒートポンプ設備を提案する。本発明による発電所は、本発明によるヒートポンプ設備を含む。ヒートポンプ設備により、発電所の複数の異なる排熱源の熱エネルギーを回収して供給することができる。それによって、発電所の効率、特にガス・蒸気・コンバインドサイクル発電所の効率が改善される。
【００８２】
本発明を細部にわたり好適な実施例によって詳しく例示し記述したが、本発明は開示された例によって制限されるものではなく、当業者は、本発明の権利保護範囲から逸脱ことなく、開示された例から別の変化形態を導き出すことができる。
【図１】
2020507733.tif 000003
【図２】
2020507733.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【手続補正書】
【提出日】令和1年10月23日(2019.10.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒートポンプ設備（１）の運転方法であって、作動流体がヒートポンプ設備（１）の方向性を有する作動回路（１００）内を循環し、
前記作動流体が圧縮機（２０，…，２５）により圧縮されて凝縮器（４）により凝縮され、
前記作動流体の質量流が第１および第２の蒸発器（３１，３２）への導入管の上流側で分配されて前記第１および第２の蒸発器（３１，３２）に並列に供給され、
前記作動流体が前記第１の蒸発器（３１）において第１の蒸発圧力（４１１）で蒸発させられ、
第２の蒸発器（３２）において前記第１の蒸発圧力（４１１）に比べて低減された第２の蒸発圧力（４１２）で蒸発させられ、
前記第１の蒸発器（３１）が第１の熱源温度を有する第１の熱源（４１）と熱的に結合され、
前記第２の蒸発器（３２）が前記第１の熱源温度に比べて低い第２の熱源温度を有する第２の熱源（４２）と熱的に結合される、
ヒートポンプ設備（１）の運転方法において、
前記第１および第２の熱源（４１，４２）として、それぞれ、発電所の異なる排熱が使用され、
前記第１の熱源（４１）として煙道ガスの排熱が使用され、
前記第２の熱源（４２）として変圧器冷却の排熱が使用されることを特徴とするヒートポンプ設備（１）の運転方法。
【請求項２】
前記作動流体が、前記第１の蒸発器（３１）への導入管の上流側では第１の膨張弁（５１）に、
前記第２の蒸発器（３２）への導入管の上流側では第２の膨張弁（５２）に、並列に供給される請求項１記載の方法。
【請求項３】
圧縮（１２０）のために第１および第２の圧縮機（２１，２２）が使用され、
前記第１の蒸発器（３１）から導き出された作動流体が前記第１の圧縮機（２１）に供給され、
前記第２の蒸発器（３２）から導き出された作動流体が前記第２の圧縮機（２２）に供給される、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記第１および第２の圧縮機（２１，２２）のために共通のモータ軸（１０）が使用される、請求項３記載の方法。
【請求項５】
圧縮（１２０）のために共通の圧縮機（２０）が使用され、前記第１および第２の蒸発器（３１，３２）から導き出された作動流体が前記共通の圧縮機（２０）に供給される、請求項１または２記載の方法。
【請求項６】
前記第１の蒸発器（３１）から導き出された作動流体が、前記共通の圧縮機（２０）への導入管の上流側で第１の逆止弁（６１）へ導かれ、
前記第２の蒸発器（３２）から導き出された作動流体が、前記共通の圧縮機（２０）への導入管の上流側で第２の逆止弁（６２）へ導かれる、請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記共通の圧縮機（２０）として多段式のターボ圧縮機（２０）が使用され、
前記第１の蒸発器（３１）から導き出された作動流体が前記ターボ圧縮機（２０）の第１の圧縮機段（２０１）に供給され、
前記第２の蒸発器（３２）から導き出された作動流体が前記ターボ圧縮機（２０）の第２の圧縮機段（２０２）に供給される、請求項５または６記載の方法。
【請求項８】
前記第１の蒸発器（３１）および第２の蒸発器（３２）の少なくとも一方から導き出された作動流体の部分質量流（７１，７２）の調節が、前記共通の圧縮機（２０）への導入管の上流側で行われる、請求項５から７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記第１および第２の圧縮機（２１，２２）又は前記共通の圧縮機（２０）から導き出された作動流体が前記凝縮器（４）へ導かれる、請求項３から８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
ヒートポンプ設備（１）を含む発電所であって、前記ヒートポンプ設備が少なくとも１つの圧縮機（２０，…，２５）と、凝縮器（４）と、少なくとも１つの第１および第２の蒸発器（３１…，２５）とを含み、
前記ヒートポンプ設備（１）が循環する作動流体のための方向性を有する作動回路（１００）を有し、
前記作動回路（１００）が、前記作動流体の質量流を第１および第２の蒸発器（３１，３２）への作動流体の導入管の上流側で分配して前記第１および第２の蒸発器（３１，３２）に並列に供給するように構成されており、
前記第１の蒸発器（３１）が第１の蒸発圧力（４１１）を有し、前記第２の蒸発器（３２）が前記第１の蒸発圧力（４１１）に比べて低い第２の蒸発圧力（４１２）を有し、前記ヒートポンプ設備（１）が少なくとも第１および第２の熱源（４１，４２）を含み、
前記第１の熱源（４１）が第１の熱源温度を有し、前記第２の熱源（４２）が前記第１の熱源温度に比べて低い第２の熱源温度を有し、
前記第１の熱源（４１）が前記第１の蒸発器（３１）と熱的に結合され、前記第２の熱源（４２）が前記第２の蒸発器（３２）と熱的に結合されているヒートポンプ設備を含む発電所において、
前記複数の熱源が当該発電所の異なる温度の排熱源として構成されており、
前記第１の熱源（４１）は煙道ガスの排熱であり、
前記第２の熱源（４２）は変圧器冷却の排熱である、ことを特徴とする、ヒートポンプ設備を含む発電所。
【請求項１１】
第１および第２の圧縮機（２１，２２）を有しており、
前記第１の蒸発器（３１）から導き出される作動流体を前記第１の圧縮機（２１）に導き、前記第２の蒸発器（３２）から導き出される作動流体を前記第２の圧縮機（２２）に導くように、ヒートポンプ設備（１）の前記作動回路（１００）が構成されている、請求項１０記載の発電所。
【請求項１２】
前記第１および第２の圧縮機（２１，２２）が、共通のモータ軸（１０）を有することを特徴とする請求項１１記載の発電所。
【請求項１３】
共通の圧縮機（２０）を有しており、
前記第１および第２の蒸発器（３１，３２）から導き出される作動流体を前記共通の圧縮機（２０）へ導くように、前記ヒートポンプ設備（１）の前記作動回路（１００）が構成されている、請求項１０記載の発電所。
【請求項１４】
前記共通の圧縮機（２０）が多段式のターボ圧縮機（２０）として構成されていることを特徴とする請求項１３記載の発電所。
【請求項１５】
少なくとも１つの膨張弁（５１，…，５５）および少なくとも１つの質量流調節器（７１，…，７４）の少なくとも一方を有する、請求項１０から１４のいずれか１項に記載の発電所。
【国際調査報告】
2020507733.tif 000007
2020507733.tif 000008
2020507733.tif 000009
2020507733.tif 000010