THERMODYNAMIC METHOD TO CONVERT HEAT OF A LOWER TEMPERATURE RANGE TO A HIGHER TEMPERATURE RANGE

Abstract: 1. A thermodynamic process for converting heat of a low temperature level to a higher temperature level, wherein a medium consisting of a mixture of at least two components is conducted in a closed cycle, the medium, on at least one point of the cycle is evaporated by heat removal from a heat source of lower temperature, is compressed, on at least one other point of the cycle, is condensed to a heat sink of a higher temperature by heat transfer and is again released, and wherein, as the recirculated medium, a mixture is used that behaves azeotropic either under the lower pressure during evaporation or under the higher pressure during condensation, characterised in that either the quantitative ratio of the components contained in the mixture or the pressure of the recirculated medium is adjusted such that the mixture either at a first pressure and at a temperature being slightly below a heat source of constant temperature boils constantly and is condensed at a second pressure differing from the first pressure within a decreasing temperature range, the temperature difference between the heat sink and the condensed medium being kept substantially constant during the heat transfer, or is constantly condensed at a first pressure and at a temperature being slightly above a heat sink of constant temperature and is evaporated at a second pressure differing from the first pressure within an increasing temperature range, the temperature difference between the heat source and the evaporating medium being kept substantially constant during the heat transfer.

Description: Thermodynamisches Verfahren zum Überführen von Wärme niedrigeren Temperaturniveaus auf höheres Temperaturniveau Die Erfindung betrifft ein thermodynamisches Verfahren zum ueberführen von Wärme niedrigeren Temperaturniveaus auf höheres Temperaturniveau, wobei ein aus einem Gemisch wenigstens zweier Komponenten bestehendes Medium in einem geschlossenen Kreislauf geführt wird, das Medium an wenigstens einer Stelle des Kreislaufes durch Wärmeentnahme aus einer Wärmequelle niedrigerer Temperatur verdampft, komprimiert, an.wenigstens einer anderen Stelle des Kreislaufes unter Wärmeübertragung auf eine Wärmesenke höherer Temperatur kondensiert und wieder entspannt wird. Der dem Verfahren zugrundeliegende Kreisprozess repräsentiert das Prinzip der Wärmepumpe. Bei gebräuchlichen Wärmepumpensystemen unterscheidet man zunächst zwischen Kompressionswärmepumpen (KWP) und Absorptionswärmepumpen (AWP), wobei letztere nach ihrer Betriebsart weiter in konventionelle AWP und Wärmetrafos unterteilt werden können. Alle Wärmepumpen verfolgen das Ziel, verfügbare Abwärme bzw. Umgebungswärme, welche als Wärmequelle dient, auf ein gewünschtes höheres Temperaturniveau eines Wärmeverbrauchers,der sogenannten Wärmesenke, anzuheben. Zu diesem Zweck muss mechanische Energie aufgewendet werden. Bei AWP wird durch Absorption des Kreislaufmediums bei niedrigem Druck in einem Hilfs medium und Desorption des Mediums bei höherem Druck der Aufwand an mechanischer Energie zwar verringert, jedoch wird eine bestimmte Menge an hochtemperierter Wärme wieder zur Desorption bzw. zum Austreiben des Kreislaufmediums benötigt. Die Absorptionswärme ist gleichfalls als Nutzwärme verfügbar. Herkömmliche Wärmepumpen arbeiten in den meisten Fällen mit Kreislaufmedien, welche nur aus einer einzigen Komponente bestehen. Bei Einstoffsystemen bleibt die Temperatur des Mediums während des gesamten Verdampfungs- bzw. Kondensationsprozesses konstant. Erfolgt der Wärmeaustausch mit einer Wärmequelle bzw. -senke, welche während des AusXauschrorganges zt- nehmend kälter bzw. wärmer wird, wie dies beispielsweise bei der Abkühlung bzw. Aufwärmung von Flüssigkeiten oder Gasen der Fall ist, wird die eingesetzte Energie nicht optimal genützt, d.h. die Leistungszahl der Wärmepumpe ist schlecht. Wie. bereits von H. Lorenz, Zeitschrift für die gesamte Kälte-Industrie 1, 8 (1895), dargelegt wurde, kann in einem solchen Fall durch Einsatz eines nicht azeotropen Mehrstoffgemisches als Kreislaufmedium eine Verbesserung der Leistungszahl erreicht werden, wobei selbstverständlich das Kreislaufmedium und die Medien, aus denen Wärme aufgenommen bzw. an die Wärme abgegeben werden soll, in den Wärmetauschern jeweils im Gegenstrom zueinander geführt werden müssen. Das als Wärmequelle dienende Medium kühlt sich somit kontinuierlich ab und der Verdampfungsvorgang des Kreislaufmediums läuft innerhalb des gleichen Temperaturintervalles oder eines nur geringfügig abweichenden Intervalles ab. Der umgekehrte Vorgang - ebenfalls mit gleitendem Temperaturverlauf - findet am Ort der Wärmesenke unter Kondensation des Kreislaufmediums statt. Das Verdampfungs- bzw. Kondensationsverhalten eines Zweistoffgemisches wird durch die bekannten T-x Diagramme (T = Temperatur, x = Molenbruch) wiedergegeben. Der bei einer bestimmten Temperatur mit einem flüssigen Zweistoffgemisch bestimmter Zusammensetzung im Gleichgewicht befindliche Dampf ist demnach stets reicher an leichks siedender Komponente als die flüssige Phase. Es wurde auch bereits vorgeschlagen, azeotrope Gemische zur Erweiterung der Palette von für Wärmepumpen verwendbaren Reinstoffen einzusetzen, u.zw. zumeist schwer trennbare Gemische halogenierter aliphatischer KohlensasserstofEe. In der veröffentlichten französischen Anmeldung Nr. 2 319 861 ist ein als Wärmepumpe arbeitender thermodynamischer Kreisprozess beschrieben, bei welchem als Kreislauffluid eine nicht azeotrope Mischung aus mehreren reinen Komponenten verwendet wird. Diese Mischung muss eine Reihe von Bedingungen hinsichtlich Beständigkeit, Verdampf- bzw. Kondensierbarkeit und Mischbarkeit ihrer Komponenten erfüllen. In jenen Einsatzfällen von Wärmepumpen, bei denen entweder die Temperatur der Wärmequelle oder der Wärmesenke konstant bleibt, behalf man sich damit, den Kreisprozess mehrstufig zu führen. Eine entscheidende Verbesserung der Leistungszahl war auf diese Weise jedoch nicht erzielbar. Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, die Leistungszahl von Wärmepumpen beliebiger Ausführungsform in jenen Fällen ohne apparativen Mehraufwand einfach und betriebssicher zu erhöhen. Diese Aufgabe wird unter Ausnützung der bekannten Tatsache, dass azeotrope Mischungen in Abhängigkeit von Druck und Temperatur veränderliche Zusammensetzung aufweisen, bei einem Verfahren der eingangs definierten Art dadurch gelöst, dass als im Kreislauf geführtes Medium ein Gemisch, welches sich entweder unter dem niedrigeren Druck beim Verdampfen oder unter dem höheren Druck beim Kondensieren azeotrop verhält, verwendet wird. Da in Wärmepumpenkreisläufen immer vollständig verdampft und kondensiert wird, ist die Zusammensetzung des Mediums an jeder Stelle des geschlossenen Kreislaufes gleich. Nach einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird ein Gemisch verwendet, welches bei einer geringfügig unterhalb einer Wärmequelle von konstanter Temperatur liegenden Temperatur konstant siedet und welches innerhalb eines abfallenden Temperaturbereiches kondensiert, wobei die Temperaturdifferenz zwischen der Wärme senke und dem kondensierenden Medium während des Wärmeüberganges im wesentlichen konstant gehalten wird. Als Wärmequelle von konstanter Temperatur kommt beispielswiese kondensierender Abdampf in Frage, jedoch kann auch Grundwasser bzw. Erdreich als Wärmereservoir konstanter Temperatur angesehen werden. Weiters kann abgekühltes Heizwasser aus Fernwärmenetzen zum Verdampfen des Kreislaufmediums herangezogen werden. Das abgekühlte Heizwasser fällt dabei in solch grossen Mengen an, dass es sich während des Wärmetausches mit dem Kreislaufmedium nur um vernachlässigbare Beträge abkühlt und seine Temperatur daher gleichfalls praktisch konstant ist. Als Wärmeverbraucher kommt ein be liebiger flüssiger oder gasförmiger Stoff in Betracht, welcher sich kontinuierlich erwärmt, beispielsweise kann Trocknerluft aufgeheizt werden. Nach einer anderen Ausführungsform wird ein Gemisch verwendet, welches bei einer geringfügig über einer Wärme senke von konstanter Temperatur liegenden Temperatur konstant kondensiert und welches innerhalb eines Bereiches steigender Temperatur verdampft, wobei die Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle und dem verdampfenden Medium während des Wärmeüberganges im wesentlichen konstant gehalten wird. Abwasser stellt z.B. eine Wärmequelle variabler Temperatur dar, da seine Abkühlung beim Durchlaufen eines Wärmetauschers im Gegenstrom zum Kreislaufmedium über einen bestimmten Temperaturbereich erfolgt, dessen Grenzen durch die Anfangstemperatur, die spezifische Wärme und die Durchsatzmenge des Abwassers, die Austauscherfläche sowie durch die Verdampfungsenthalpie des Kreislaufmediums festgelegt sind. Als Wärmesenke ist in diesem Fall eine Flüssigkeit geeignet, welche bei konstanter Temperatur siedet; so kann z.B. Wasser zur Erzeugung von Niederdruckdampf erhitzt werden. Um die Temperaturdifferenz zwischen der Wärme senke und dem kondensierenden Medium bzw. zwischen der Wärmequelle und dem verdampfenden Kreislaufmedium konstant zu halten, stehen als Variable die Natur der für das Kreislaufgemisch eingesetzten Komponenten, die Druckverhältnisse im geschlossenen Kreislauf der Wärmepumpe und die Austauscherflächen zur Verfügung, wobei selbstverständlich eine Druckänderung wieder eine Verlagerung der Siedetemperar sowie eine geänderte Zusammensetzung des azeotropen Gemisches bedingt. Zweckmässig wird das Mengenverhältnis der im Gemisch enthaltenen Komponenten eingestellt, wodurch der azeotrope Punkt bei einem bestimmten Druck definiert ist. Es ist weiters vorteilhaft, den Druck des im Kreislauf geführten Mediums einzustellen. Auf diese Weise ist einerseits der azeotrope Punkt festlegbar und andererseits das Temperaturintervall beim Verdampfen bzw. Kondensieren des Kreislaufmediums veränderbar. Vorzugsweise wird ein Zweistoffgemisch, bestehend aus einem Alkohol und einem Kohlenwasserstoff, als Kreislaufmedium verwendet, wobei sich insbesondere ein Gemisch aus Äthanol und Benzol oder aus n-Heptan und Butan-1-ol als für viele Einsatzzwecke geeignet erwiesen hat. Gemische dieser Art sind nicht korrosiv sowie thermisch und chemisch beständig. Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung und den Beispielen näher erläutert. In den Fig. 1 und 2 sind Diagramme dargestellt, welche die übertragene Wärmemenge in Abhängigkeit von der Temperatur im Verlauf des Kreisprozesses veranschaulichen. Fig. 3 zeigt Siedediagramme des Systems n-Heptan - Butan-1-ol bei verschiedenen Drucken; Fig. 4 ist ein vergrösserter Ausschnitt aus diesen Diagrammen für nur zwei Drucke. Fig. 5 zeigt Siedediagramme für das System Äthanol Benzol bei zwei verschiedenen Drucken. In Fig. 1 ist eine Wärmequelle auf dem konstanten Temperaturniveau T41 als stark ausgezogene Linie eingetragen. Von dieser Wärmequelle wird Wärme auf ein Kreislaufmedium übertragen, welches dabei verdampft wird. Der Dampf wird durch Aufwand mechanischer Energie auf eine höhere Temperatur T1 gebracht und kondensiert, wobei die Kondensationswärme auf eine Wärme senke über tragen wird, deren Ausgangstemperatur T2 kontinuierlich auf eine Temperatur T1' angehoben wird. Der Temperaturverlauf des Wärmesenkenmediums ist gleichfalls stark ausgezogen eingezeichnet. Auf der Abszisse ist die Wärmemenge mit Q bezeichnet. Der Kreisprozess ist für drei verschiedene, kreislaufgeführte Medien veranschaulicht. Für den Fall eines Reinstoffes resultiert der strichliert eingetragene Carnot'sche-Prozess. Wird ein Mehrstoffgemisch ohne Azeotropbildung eingesetzt, ist ein (strichpunktiert eingezeichneter) Prozess nach H.Lorenz verifiziert. Verwendet man erfindungsgemäss ein Medium, welches sich unter dem niedrigeren Druck beim Verdampfen azeotrop verhält, verläuft der Kreisprozess ,1ach den voll ausgezogenen LinIen, wobei das Kreislauf medium bei konstanter Temperatur T4 verdampft und innerhalb des abfallenden Temperaturbereiches zwischen T1 und T2 kondensiert. Die Temperaturdifferenz zwischen der Wärmesenke und dem kondensierenden Medium bleibt während des Wärmeüberganges weitgehend konstant. Durch die weiter oben bereits beschriebenen Massnahmen lässt sich die Parallelität der Streckenzüge, welche den Temperaturverlauf der Wärmesenke und den Temperaturverlauf des Kreilaufmediums darstellen, beliebig verbessern. Die schraffierten Flächen T1, T2, T2, T1 bzw. die Flächen zwischen den Niveaus konstanter Temperaturen T4 und T41 sind für das erfindungsgemässe Verfahren am kleinsten, d.h. dass mittels der erfindungsgemässen Anpassung an den Prozessverlauf bzw. an den Temperaturverlauf von Wärmequelle und Wärmesenke die Leistungszahl einer Wärmepumpe maximiert wird. Sowohl bei Verwendung eines Reinstoffes als auch bei Verwendung eines nichtazeotropen Mehrstoffgemisches sind die entsprechenden Flächen in Summe grösser, da entweder der Verdampfungsvorgang eines Mehrstoffgemisches zwischen einer Temperatur T3 und einer Tempera tur T4 erfolgt oder - nach Carnot - die Kondensation des Reinstoffes bei konstanter Temperatur T1 stattfindet und die Temperatur des Wärmesenkenmediums durch Gegenstrom-Wärmeaustausch von einer tieferen Temperatur T2 auf die Temperatur T11 angehoben werden muss. Fig. 2 sind in analoger Weise die Verhältnisse für den Fall einer Wärmequelle zu entnehmen, welche sich während des Wärmeaustausches mit den drei verschiede nen Kreislaufmedien von einer Temperatur T' auf eine 4 Temperatur T3 abkühlt, während die Wärmesenke im Verlauf der Wärmeentnahme aus dem Kreislaufmedium auf konstantem Temperaturniveau T2 bleibt. Bei Verwendung eines Reinstoffes als Kreislaufmedium erfolgt dessen Verdampfung bei der Temperatur T3, , die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequellenmedium und verdampfendem Reinstoff ist an der Eintrittsstelle des Wärmequellenmediums in den Wärmetauscher: zunächst sehr gross (T4 - T3) und hat sich an der Austrittsstelle auf den Wert T3 - T3 erniedrigt. Dies beeinträchtigt die Reversibilität des Gesamtprozesses und damit die Leistungszahl der Wärmepumpen. Wird ein nicht azeotropes Zweistoffgemisch als Kreislaufmedium verwendet, kondensiert dieses innerhalb des Temperaturintervalles von T1 bis T2 und die Temperatur des Wärmesenkenmediums bleibt konstant. Wieder gelten die voranstehend hinsichtlich der unterschiedlichen Temperaturdifferenzen der im Gegenstrom geführten Medien angestellten Uberlegungen. Ein Kreislaufmedium, welches zwischen den Temperaturen T 3 und T4 vollständig verdampft und sich unter dem höheren Druck beim Kondensieren azeotrop verhält, ist diesen Gegebenheiten besser angepasst. In Fig. 3 ist auf der Abszisse der Molenbruch n-Heptan mit X bezeichnet. Die Abhängigkeit des azeotropen Punktes vom Druck ist gut erkennbar. Die azeotropen Punkte bei verschiedenen Drücken sind durch eine strichlierte Linie miteinander verbunden. Beispiel 1: Als Kreislaufmedium wird ein Gemisch aus 80 Mol % n-Heptan und 20 Mol % Butan-1-ol verwendet, welches unter einem Druck von 0,91 bar bei 890C konstant siedet. Kondensierender Abdampf wird als Wärmequelle konstanter Temperatur zum Verdampfen des Kreislaufmediums genützt. Das gasförmige Gemisch wird anschliessend auf einen Druck von 4,97 bar komprimiert und in einem Wärmeaustauscher im Gegenstrom zu Trocknerluft (Wärmesenke bzw. -verbraucher) geführt, welche mit einer 0 Temperatur von 130 C eintritt. Das Kreislaufmedium kon- densiert im Verlauf des Wärmeaustausches mit der Trocknerluft in einem Temperaturbereich von 153 bis 1590C, die Trocknerluft erwärmt sich auf 1370C Austrittstemperatur. Die Siedediagramme des verwendeten Kreislaufmediums bei den im geschlossenen WP-Xreislauf herrschenden Drücken sind aus Fig. 4 ersichtlich, worin X den Molenbruch n-Heptan bedeutet. Beispiel 2: Man verwendet ein Gemisch von 56 Mol % n-Heptan und 44 Mol % Butan-1-ol als Kreislaufmedium, welches unter einem Druck von 0,91 bar innerhalb eines Tempe 0 raturbereiches von 89 bis 98 C vollständig in Dampf- form überführbar ist und sich unter einem Druck von 4,97 bar azeotrop verhält (Fig. 4) als Kreislaufmedium. Als Wärmequelle dient ein 1200C heisses öl aus umlaufgeschmierten Maschinenanlagen, welches sich während des Gegenstrom-Wä.rmeaustausches auf 106 0C abkühlt. Das Kreislaufmedium kondensiert nach Kompression bei einer konstanten Temperatur von 1500C. Die Kondensationswärme wird zur Erzeugung von Niederdruckdampf genützt. Beispiel 3: Man verfährt analog Beispiel 1, setzt jedoch ein Gemisch aus 34 Mol % Äthanol und 66 Mol % Benzol als Kreislaufmedium ein. Gemäss Fig. 5, worin X den Molenbruch von Äthanol symbolisiert, siedet ein solches Gemisch unter einem Druck von 0,24 bar konstant bei 0 33 C. Kondensation erfolgt unter 4,5 bar Druck in einem Bereich von 116 bis 121 0C. Als Wärmequelle wird das in grossen Mengen anfallende warme Abgas von Linde-Kältemaschinen herangezogen. Die Kondensationswärme dient zum teilweisen Wasserentzug aus wasserreichen, gut pumpbaren Schlämmen. Beispiel 4: 0 Kühlwasser einer Temperatur von ca. 60 C wird zum kontinuierlichen Verdampfen eines aus einer Mischung von 59 Mol % Äthanol und 41 Mol % Benzol bestehenden und unter einem Druck von 0,24 bar befindlichen Kreislaufmediums verwendet. Zwischen 33 und 38 0C ist ein Gemisch von flüssiger und gasförmiger Phase im Niederdruckteil des geschlossenen WP-Kreislaufes beständig (Fig. 5). Die durch den als Wärmequelle für die WP dienenden Wärmetauscher strömende Kühlwassermenge wird so geregelt, dass das Kühlwasser mit einer Temperatur von ca. 520C austritt. Der Dampf des Kreislaufmediums wird auf 4,5 bar komprimiert. Die während seiner anschliessenden Kondensation bei konstant 1150C (Fig. 5) frei werdende Wärmemenge wird zur Erzeugung von Niederdruckdampf verwendet.

Claims: Patentansprüche: 1. Thermodynamisches Verfahren zum Überführen von Wärme niedrigeren Temperaturniveaus auf höheres Temperaturniveau, wobei ein aus einem Gemisch wenig stens zweier Komponenten bestehendes Medium in einem geschlossenen Kreislauf geführt wird, das Medium an wenigstens einer Stelle des Kreislaufes durch Wärme entnahme aus einer Wärmequelle niedri gerer Temperatur verdampft, komprimiert, an wenig stens einer anderen Stelle des Kreislaufes unter Wärmeübertragung auf eine Wärme senke höherer Tem peratur kondensiert und wieder entspannt wird, da durch gekennzeichnet, dass als im Kreislauf ge führtes Medium ein Gemisch, welches sich entweder unter dem niedrigeren Druck beim Verdampfen oder unter dem höheren Druck beim Kondensieren azeotrop verhält, verwendet wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gemisch verwendet wird, welches bei einer geringfügig unterhalb einer Wärmequelle von kon stanter Temperatur liegenden Temperatur konstant siedet und welches innerhalb eines abfallenden Temperaturbereiches kondensiert, wobei die Tempera turdifferenz zwischen der Wärmesenke und dem konden sierenden Medium während des Wärmeüberganges im wesentlichen konstant gehalten wird. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gemisch verwendet wird, welches bei einer geringfügig über einer Wärme senke von konstanter Temperatur liegenden Temperatur konstant konden siert und welches innerhalb eines Bereiches stei gender Temperatur verdampft, wobei die Temperatur differenz zwischen der Wärmequelle und dem ver dampfenden Medium während des Wärmeüberganges im wesentlichen konstant gehalten wird. 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, dass das Mengenverhältnis der im Ge misch enthaltenen Komponenten eingestellt wird. 5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, dass der Druck des im Kreislauf ge führten Mediuarr; eingestellt wird. 6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, dass ein Zweistoffgemisch, bestehend aus einem Alkohol und einem Kohlenwasserstoff, als Kreislaufmedium verwendet wird. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gemisch aus Äthanol und Benzol verwendet wird. 8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gemisch aus n-Heptan und Butan-1-ol ver wendet wird.

Inventors: HUEMER, HANS, DIPL.-ING. DR., MOSER, FRANZ, PROF. DR., SCHNITZER, HANS, DIPL.-ING. DR.
Applicants: VOEST-ALPINE AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1983
Main classification: F24J3
IPC codes: F25B9, F25B30, C09K5