NL1044144B1

NL1044144B1 - Heat pump installation and method for heating a medium

Info

Publication number: NL1044144B1
Application number: NL1044144A
Authority: NL
Inventors: Arnoldus Maria Linthorst Gijsbrecht
Original assignee: Werkenhorst B V
Priority date: 2021-09-07
Filing date: 2021-09-07
Publication date: 2023-03-21
Also published as: EP4200571C0; WO2023038516A1; EP4200571A1; EP4200571B1; PL4200571T3

Abstract

Warmtepompinstallatie voor het verwarmen van een medium, omvattende: een eerste werkmiddelcircuit met een daarin circulerend eerste werkmiddel; een eerste warmtewisselaar voor het onttrekken van warmte uit een bron en het afgeven van warmte aan het eerste werkmiddel; een tweede werkmiddelcircuit met een daarin circulerend tweede werkmiddel; een tweede warmtewisselaar voor het onttrekken van warmte uit het eerste werkmiddel en het afgeven van warmte aan door de installatie stromend medium; een derde warmtewisselaar voor het onttrekken van warmte uit het eerste werkmiddel en het afgeven van warmte aan het tweede werkmiddel; en een vierde warmtewisselaar voor het onttrekken van warmte uit het tweede werkmiddel en het afgeven van warmte aan door de installatie stromend medium, met het kenmerk, dat de installatie tevens een vijfde warmtewisselaar omvat voor het onttrekken van warmte uit het eerste werkmiddel en het afgeven van warmte aan door de warmtepompinstallatie stromend medium. Zo kan middels de tweede warmtewisselaar, vijfde warmtewisselaar en derde warmtewisselaar, optimaal warmte aan het eerste werkmiddel worden onttrokken, waarbij het eerste werkmiddel kan worden afgekoeld tot een temperatuur beneden de temperatuur van het aangevoerde te verwarmen medium. De extra warmte die middels de vijfde warmtewisselaar uit het eerste werkmiddel wordt onttrokken, kan gehaald worden uit de bron, terwijl daarvoor geen extra mechanische energie, voor het aandrijven van de eerste compressor, benodigd is. Tevens werkwijze voor het verwarmen van een medium middels zo een warmtepompinstallatie. 1044144Heat pump installation for heating a medium, comprising: a first working medium circuit with a first working medium circulating therein; a first heat exchanger for extracting heat from a source and delivering heat to the first working means; a second working agent circuit having a second working agent circulating therein; a second heat exchanger for extracting heat from the first working medium and transferring heat to the medium flowing through the installation; a third heat exchanger for extracting heat from the first working means and transferring heat to the second working means; and a fourth heat exchanger for extracting heat from the second working medium and transferring heat to the medium flowing through the installation, characterized in that the installation also comprises a fifth heat exchanger for extracting heat from the first working medium and transferring heat heat to the medium flowing through the heat pump installation. Thus, by means of the second heat exchanger, fifth heat exchanger and third heat exchanger, optimal heat can be extracted from the first working medium, wherein the first working medium can be cooled to a temperature below the temperature of the supplied medium for heating. The extra heat that is extracted from the first working medium by means of the fifth heat exchanger can be obtained from the source, while no extra mechanical energy is required to drive the first compressor. Also a method for heating a medium by means of such a heat pump installation. 1044144

Description

Warmtepompinstallatie en werkwijze voor het verwarmen van een meiliumHeat pump installation and method for heating a meilium

Terrein van de uitvindingField of invention

De uitvinding betreft een warmtepompinstallatie voor het verwarmen van cen mediom volgens de aanhef van conclusie 1. De uitvinding heeft tevens betrekking op een werkwijze voor het verwarmen van een medium volgens de aanhef van conclusie 6.The invention relates to a heat pump installation for heating a medium according to the preamble of claim 1. The invention also relates to a method for heating a medium according to the preamble of claim 6.

Achtergrond van de uitvindingBackground of the invention

Bekend is cen warmtepompinstallatie voor het verwarmen van een medium omvattende een iS werkmiddeleireuit omvattende een compressor en cen expansicorgaan en een daarin circulerend werkmiddel dat bij een lagere temperatuur middels een eerste warmtewisselaar warmte onttrekt uit een bron en bij een hogere temperatuur middels een tweede warmtewisselaar warmte afgeeft aan het medium. In een ‘condenserende’ warmtepompcyclus verlaat het werkmiddel de compressor in zijn gasfase, waarna het in de 29 tweede warmtewisselaar (condensor) warmte afgeeft aan het medium en daarbij condenseert, Het werkmiddel wordt vervolgens in het expansteorgaan in druk verlaagd, waarna het in de eerste warmtewisselaar (verdamper) warmte uit de bron onttrekt en weer verdampt. In een ‘transkritische’ warmtepompcyclus verlaat het werkmiddel de compressor in zijn superkritische fase, waarna het in de tweede warmtewisselaar (gaskoeler) warmte afgeeft aan het te verwarmen medium en daarbij in zijn superkritische fase blijf. Het werkmiddel wordt vervolgens in het expansieorgaan in druk verlaagd en condenseert daarbij (deels of geheel), waarna het in zijn subkritische fase in de eersie warmiewisselaar (verdamper) warmte uit de bron onttrekt en weer (geheel) verdampt. Debiet, aanvoertemperatuur, soortelijke warmtecapaciteit, en gewenste afvoertemperatuur van het medium, bepalen de benodigde eigenschappen van het de compressor verlatende werkmiddel: debiet, soortelijke condensatiewarmie of warmtecapaciteit, temperatuur en druk. Daarbij is de temperatuur van het aangevoerde te verwarmen medium bepalend voor de maximale hoeveelheid warmte die onttrokken kan worden uit het in het werlomiddeleireuit circulerende werkmiddel.A heat pump installation for heating a medium is known, comprising an operating medium comprising a compressor and an expansion member and a working medium circulating therein, which extracts heat from a source at a lower temperature by means of a first heat exchanger and releases heat at a higher temperature by means of a second heat exchanger. to the medium. In a 'condensing' heat pump cycle, the working medium leaves the compressor in its gaseous phase, after which it transfers heat to the medium in the second heat exchanger (condenser) and thereby condenses. heat exchanger (evaporator) extracts heat from the source and evaporates it again. In a 'transcritical' heat pump cycle, the working medium leaves the compressor in its supercritical phase, after which it transfers heat to the medium to be heated in the second heat exchanger (gas cooler), while remaining in its supercritical phase. The working medium is then reduced in pressure in the expansion device and thereby (partially or completely) condenses, after which it extracts heat from the source in its subcritical phase in the first heat exchanger (evaporator) and (fully) evaporates again. Flow rate, flow temperature, specific heat capacity and desired discharge temperature of the medium determine the required properties of the working medium leaving the compressor: flow rate, specific condensation heat or heat capacity, temperature and pressure. The temperature of the supplied medium to be heated here determines the maximum amount of heat that can be extracted from the working medium circulating in the refrigerant.

Een warmtepompinstallatie kan ook twee werkmiddeleircuits omvatten waarbij een, in een tweede werkmiddelcireuit circulerend, tweede werkmiddel middels een derde warmtewisselaar extra warmte onttrekt uit een, in een eerste werkmiddelcireuit circulerend, eerste werkmiddel, welke extra warmte middels het tweede werkmiddelcireuit wordt opgewaardeerd naar een hogere temperstuur en vervolgens middels een vierde warmtewisselaar wordt afgegeven aan het medium. Zo kan, middels de derdeA heat pump installation can also comprise two working medium circuits, whereby a second working medium, circulating in a second working medium circuit, extracts additional heat from a first working medium circulating in a first working medium circuit by means of a third heat exchanger, which additional heat is upgraded to a higher temperature by means of the second working medium circuit. and then released to the medium by means of a fourth heat exchanger. This is possible, through the third

IO warmtewisselaar, extra warmte worden onttrokken uit het eerste werkmiddel, waarbij het eerste werkmiddel in de derde warmtewisselaar kan worden afgekoeld tot een temperatour beneden de temperatuur van het aangevoerde te verwarmen medium. De, middels de derde warmiewisselaar uit het eerste werkmiddel onttrokken, extra warmte kan daarbij gehaald worden uit de bron terwijl daarvoor geen extra mechanische energie, voor het aandrijven van iS de eerste compressor, benodigd is. Het kan dan daarbij gean om twee transkritische warmtepompeych waarbij warmie middels de tweede warmtewisselaar en de vierde warmtewisselaar parallel wordt afgegeven aan het medion, zie EP2631562A1, of om twee condenserende warmtepompeychi waarbij warmte middels de tweede warmtewisselaar en de vierde warmtewisselaar serieel wordt afgegeven aan het medium, zie JPR04263758A, of om cen condenserende cerste warmtepompoyelus en een condenserende of transkritische tweede warmtepompeycias waarbij warmte middels de tweede warmtewisselaar en de vierde warmtewisselaar serieel wordt afgegeven aan hel medium, zie CN110260550A, De onderhavige uitvinding nu verschaft een verbeterde warmtepompinstallatie omvattende twee werkmiddelcireuits van genoemd type en tevens een verbeterde werkwijze voor het verwarmen van een medium middels zo een warmtepompinstallatie.IO heat exchanger, additional heat is extracted from the first working medium, whereby the first working medium can be cooled in the third heat exchanger to a temperature below the temperature of the supplied medium to be heated. The extra heat extracted from the first working medium by means of the third heat exchanger can be obtained from the source, while no extra mechanical energy is required for driving the first compressor. It can then be two transcritical heat pump cycles in which heat is supplied to the medium in parallel by means of the second heat exchanger and the fourth heat exchanger, see EP2631562A1, or two condensing heat pump cycles in which heat is serially supplied to the medium by means of the second heat exchanger and the fourth heat exchanger , see JPR04263758A, or about a condensing first heat pump coil and a condensing or transcritical second heat pump cycle where heat is serially delivered to the medium through the second heat exchanger and the fourth heat exchanger, see CN110260550A, The present invention now provides an improved heat pump installation comprising two working medium circuits of said type and also an improved method for heating a medium by means of such a heat pump installation.

Samenvatting van de uitvindingSummary of the invention

De uitvinding verschaft een warmtepompinstallatie volgens conclusie 1 en cen werkwijze volgens conclusie 6. Zo kan, middels de tweede warmtewisselaar, vijfde warmtewisselaar en derde warmtewisselaar, optimaal warmte worden onttrokken uit het eerste werkmiddel,The invention provides a heat pump installation according to claim 1 and a method according to claim 6. Thus, by means of the second heat exchanger, fifth heat exchanger and third heat exchanger, optimal heat can be extracted from the first operating medium,

waarbij het eerste werkmiddel weer kan worden afgekoeld tot gen temperatuur beneden de temperafuur van bet aangevoerde ie verwarmen medium, De, middels de vijfde warmtewisselaar uit het eerste werkmiddel onttrokken, extra warmte kan daarbij weer gehaald worden uit de bron terwijl daarvoor weer geen extra mechanische energie, voor het aandrijven van de eerste compressor, benodigd is.whereby the first working medium can be cooled down again to a temperature below the temperature of the supplied heating medium, The extra heat extracted from the first working medium by means of the fifth heat exchanger can be obtained from the source again, while again no extra mechanical energy is required for this , to drive the first compressor, is required.

Korte beschriiving van de tekeningenBrief description of the drawings

De uitvinding wordt in het navolgende nader toegelicht aan de hand van niet-limitatieve nitvoeringsvoorbeelden. In de tekeningen tonen schematisch: - figuur 1 een eerste uitvoeringsvoorbeeld van een warmtepompinstallatie volgens de uitvinding, en - figuur 2 een meer uitgewerkt detail daarvan: en - fignur 3 cen tweede uitvoeringsvoorbeeld van een wartepompinstallatie volgens de uitvinding.The invention is further elucidated below on the basis of non-limitative exemplary embodiments. In the drawings: Figure 1 shows a first exemplary embodiment of a heat pump installation according to the invention, and Figure 2 shows a more elaborate detail thereof: and Figure 3 shows a second exemplary embodiment of a heat pump installation according to the invention.

Nadere toelichting en uitvoeringsvoorbeeldenFurther explanation and exemplary embodiments

De in figuur 1 getoonde warmtepompinstallatie (1) volgens de uitvinding omvat middelen voor het aanvoeren van te verwarmen medium (10), het door de warmtepompinstallatie laten stromen van medium (11-19), en het afvoeren van verwarmd mediam (30), cen eerste werkmiddeleirenit (100) met een daarin circulerend eerste werkiniddel (530) en omvattende een eerste compressor (101) en cen cerste expansieorgaan (102), een eerste warmtewisselaar (105) voor het onttrekken van warmie nit een bron en het afgeven van warmte aan het eerste werkmiddel (50), een tweede werkmiddelcircuit (200), zie figuur 2, met een daarin circulerend tweede werlaniddel (51) en omvattende cen tweede compressor (201) en een tweede expansieorgaan {202}, zen tweede warmtewisselaar (40) voor het onttrekken van warmte uit het eerste werkmiddel (50) en voor het afgeven van warmte aan ten minste een deel (13) van door de warmtepompinstallatie (1) stromend medium, een derde warmiewisselaar (42). voor wat betreft het eerste werkmiddel (50) in serie met en stroomafwaarts van de tweede warmtewisselaar (40), voor het onttrekken van warmte uit het eerste werkmiddel (50) en voor het afgeven van warmte aan het tweede werkmiddel (51) en een vierde warmtewisselaar (43) voor het onttrekken van warmte uit het tweede werkmiddel (51) en voor het afgeven van warmte aan ten minste cen deel (15) van door de warmtepompinstaliatie (1) stromend medium, De derde warmiewisselaar (42) geeft hier via cen eerste tussenmedium (52) warmte door van het eerste werkmiddel (50) naar het tweede werkmiddel (51), en via een tweede tussenmediom (53) van het tweede werkmiddel (51) naar het medium (15), zoals getoond in figuur 2, maar dat kan ook direct, zonder tussemmedia.The heat pump installation (1) according to the invention shown in figure 1 comprises means for supplying medium (10) to be heated, for allowing medium (11-19) to flow through the heat pump installation, and for discharging heated media (30), cen first working means unit (100) having a first working means (530) circulating therein and comprising a first compressor (101) and second expander (102), a first heat exchanger (105) for extracting heat from a source and delivering heat to the first working means (50), a second working means circuit (200), see figure 2, with a second working means (51) circulating therein and comprising a second compressor (201) and a second expansion member {202}, a second heat exchanger (40) for extracting heat from the first working means (50) and for supplying heat to at least a part (13) of the medium flowing through the heat pump installation (1), a third heat exchanger (42). as for the first working means (50) in series with and downstream of the second heat exchanger (40), for extracting heat from the first working means (50) and for delivering heat to the second working means (51) and a fourth heat exchanger (43) for extracting heat from the second operating medium (51) and for transferring heat to at least a part (15) of the medium flowing through the heat pump installation (1). The third heat exchanger (42) supplies here via a first intermediate medium (52) transmits heat from the first working means (50) to the second working means (51), and through a second intermediate medium (53) from the second working means (51) to the medium (15), as shown in figure 2, but that can also be done directly, without intermediate media.

Volgens de uitvinding nu omvat de warmtepompinstallatie (1) tevens een vijfde warmtewisselaar (41), voor wat betreft het eerste werkmiddel (50) in serie met en stroomafwaarts van de tweede warmtewisselaar (40) en voor wat betreft het verste werkmiddel (50) in serie met en stroomopwaarts van de derde warmtewisselaar (42), voorAccording to the invention, the heat pump installation (1) also comprises a fifth heat exchanger (41), with regard to the first working means (50) in series with and downstream of the second heat exchanger (40) and with regard to the furthest working means (50) in series. series with and upstream of the third heat exchanger (42), for

IS het onttrekken van warmte uit het eerste werkmiddel (50) en voor het afgeven van warmte aan ten minste cen deel (11) van door de warmtepompinstallatie (1) stromend medium, Het gaat hier om een condenserende warmtepompeyelus in betde werkmiddeleireuits (100,200).IS the extraction of heat from the first working means (50) and for transferring heat to at least a part (11) of the medium flowing through the heat pump installation (1). This concerns a condensing heat pump loop in the working means lines (100,200).

Het aangevoerde te verwarmen medium (10) wordt hier ten minste deels (11) middels de vijfde warmiewisselaar (41) verwarmd (11-12) en voor het overige deel (13), parallel, middels de tweede warmtewisselaar (40) verwarmd (13-14) De parallel verwarmde deelstromen (12.14) worden vervolgens samengevoegd (12+14=18) en dan ten minste deels (15) middels de vierde warmtewisselaar (43) verder opgewarmd (15-16). Het overige deel (19) wordt met de verder opgewarmde deelstroom (16) samengevoegd (19+16) en uitgekoppeld (30).The supplied medium (10) to be heated is here at least partly (11) heated (11-12) by means of the fifth heat exchanger (41) and for the remaining part (13) is heated in parallel (13) by means of the second heat exchanger (40). -14) The parallel heated partial streams (12.14) are then combined (12+14=18) and then at least partly (15) further heated (15-16) by means of the fourth heat exchanger (43). The remaining part (19) is combined with the further heated partial flow (16) (19+16) and disconnected (30).

De in figuur 3 getoonde warmiepompinstallatie (2) volgens de uitvinding is grotendeels gelijk aan de in figuur 1 getoonde warmtepompinstallatie (1), maar hier gaat het om een transkitische warmtepompcyeclus in het eerste werkmiddeleiveuit (100) en een condenserende warmtepompcyclus in het tweede werkmiddelcirenit (200), Aangevoerd te verwarmen medium (10} wordt hier middels de vijfde warmtewisselaar (41) verwarmd (11- 12} en vervolgens, serieel, ten minste deels (13) middels de tweede warmtewisselaar (40) verder opgewarmd (13-14). Het overige deel (20) wordt ten minste deels (15) middels de vierde warmtewisselaar (43) verder opgewarmd (15-16) en voor het overige deel uitgekoppeld GI). De middels de vierde warmtewisselaar (43) verder opgewarmde deslstroom {16} wordt ten minste deels (17} uitgekoppeld (32) en voor het overige deel (21) met de middels de tweede warmtewisselaar (40) verder opgewarmde deelstroom (14) 5 samengevoegd (21+14) en uitgekoppeld (33).The heat pump installation (2) according to the invention shown in Figure 3 is largely the same as the heat pump installation (1) shown in Figure 1, but this concerns a trans-cytic heat pump cycle in the first operating medium level (100) and a condensing heat pump cycle in the second operating medium circuit ( 200), The supplied medium to be heated (10} is here heated (11-12} by means of the fifth heat exchanger (41) and then, serially, at least partly (13) further heated by means of the second heat exchanger (40) (13-14) The remaining part (20) is at least partly (15) further heated (15-16) by means of the fourth heat exchanger (43) and the remainder is disconnected GI). } is at least partially (17} disconnected (32) and for the remainder (21) is combined (21+14) with the partial flow (14) further heated by means of the second heat exchanger (40) (21+14) and disconnected (33).

Door het op een juiste manier regelen van de onderlinge verhoudingen van de deelstromen (11-21) van het medium, de debieten van de werkmiddelen (30,51), en de drukken en temperaturen van de werkmiddelen (50,51) bij het verlaten van de compressors (101,201),By properly controlling the mutual relationships of the partial flows (11-21) of the medium, the flow rates of the working means (30,51), and the pressures and temperatures of the working means (50,51) when leaving of the compressors (101,201),

IO en daarmee de in de warmtewisselaars (40-43) uitgewisselde hoeveelheden warmie, kunnen de debieten en temperaturen van uitgekoppeld verwarmd medium (30-33) binnen relatief grote bereiken naar wens worden geregeld, waarbij een maximale hoeveelheid warmte kan worden onttrokken uit het eerste werkmiddel en cen optimale COP van de gehele warmtepompinstallatie (1,2) kan worden bereikt.IO and thus the amounts of heat exchanged in the heat exchangers (40-43), the flow rates and temperatures of the coupled heated medium (30-33) can be regulated as desired within relatively large ranges, whereby a maximum amount of heat can be extracted from the first working agent and an optimum COP of the entire heat pump installation (1,2) can be achieved.

Claims

Conclusions l. Heat pump installation (1,2) for heating a medium, comprising: - means arranged and suitable for supplying medium (10) for heating, allowing medium (11-21) to flow through the heat pump installation, and discharging heated medium (30-33); - a first working means circuit (100) having a first working means (50) circulating therein and comprising a first compressor (101) and a first expander (102); - a first heat exchanger (103) adapted and adapted to extract heat from a source and deliver heat to the first working means (30); - a second working medium circuit (200) with a second working medium (51) circulating therein and comprising a second compressor (201) and its second expander (202); - a second heat exchanger (40) arranged and suitable for extracting heat from the first operating means (50) and for supplying heat to at least a part (13) of the medium flowing through the heat pump installation (1,2); - a third heat exchanger (42), with regard to the first working means (50) in series with and downstream of the second heat exchanger (40), and adapted and adapted to extract heat from the first working means (30) and to release it of heat to the second working means (51); and - a fourth heat exchanger (43) arranged and suitable for extracting heat from the second working means (51) and for transferring heat to at least a part (15) of the medium flowing through the heat pump installation (1,2), with characterized in that the heat pump installation (1, 2) also comprises a fifth heat exchanger (41), with regard to the furthest working means (50) in series with and downstream of the second heat exchanger (40) and with regard to the first working means ( 50) in series with and upstream of the third heat exchanger (42), and arranged and adapted to extract heat from the first working means (50) and to transfer heat to at least a portion (11) of the heat pump installation ( 1,2) flowing medium.

A heat pump installation (1, 2) according to claim 1, characterized in that the second working means (31) undergoes condensing cycles in the second working means circuit (200).

A heat pump installation (1) according to claim 2, characterized in that the first working means (50) undergoes condensing cycles in the first working means circuit (100).

A heat pump installation (2) according to claim 2, characterized in that the first working means {50} undergoes transcritical cycles in the first working means circuit (100),

A heat pump installation (2) according to claim 4, characterized in that the first working agent (50) is carbon dioxide CO:1s.

6. Method for heating a medium by means of a heat pump installation (1,2) according to the preamble of claim 1, the method comprising: - supplying medium (10) for heating by means of the means, allowing medium (10) to flow through the heat pump installation ( 11-21), and discharge of heated medium (30-33); - causing the first working means (50) to circulate in the first working means (100); - circulating the second working means (51) in the second working means circuit (200); - extracting heat from the first operating means (50) by means of the second heat exchanger (40) and supplying heat to at least a part (13) of the medium flowing through the heat pump installation (1.2); - extracting heat from the first working means (50) by means of the third heat exchanger (42) and transferring heat to the second working means (51); and - extracting heat from the second working means (51) by means of the fourth heat exchanger (43) and supplying heat to at least a part (15) of the medium flowing through the heat pump installation (1,2), characterized in: that the method also comprises the fifth heat exchanger (41) provided for this purpose, with regard to the first working means (50) in series with and downstream of the second heat exchanger (40) and with regard to the first working means (50) in series with and upstream of the third heat exchanger (42), extracting heat from the first working means (50) and delivering heat to at least a part {11} of the medium flowing through the heat pump installation (1,2).

A method according to claim 6, characterized in that the supplied medium (10) for heating is at least partly (11) heated (11-12) by means of the fifth heat exchanger (41) and the remaining part is at least partly (13) heated. , in parallel, is heated (13-14) by means of the second heat exchanger (40).

Method according to claim 6, characterized in that the supplied medium (10) for heating is at least partly (11) heated (11-12) by means of the fifth heat exchanger (41) and the remaining part is heated at least partly (13) , serially, is heated up further by means of the second heat exchanger (40) (13-14).

A method according to claim 7 or 8, characterized in that the part (12) of the supplied medium (10) heated by means of the fifth heat exchanger (41) is heated at least partly (15) by means of the fourth heat exchanger (43) further being warmed up (15-16),

A method according to claim 7 or 8, characterized in that the part (14) of the supplied medium (10) heated by means of the second heat exchanger (40) is at least partly {15} further heated by means of the fourth heat exchanger (43). being warmed up (15-16), IS