AT13731U1 - Verfahren und System zur Verarbeitung von Verbrennungsgasen einer Wärmequelle - Google Patents

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AT13731U1 ATGM50084/2012U AT500842012U AT13731U1 AT 13731 U1 AT13731 U1 AT 13731U1 AT 500842012 U AT500842012 U AT 500842012U AT 13731 U1 AT13731 U1 AT 13731U1
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Verarbeitungsvorrichtung für Verbrennungsstoffe einer Wärmequelle (2). Die durch Verbrennung von wasserstoffhaltigem Gasbrennstoff (19) entstehenden Verbrennungsstoffe werden nach dem Verlassen einer Wärmequelle in einem Thermokondensator (1) auf eine Temperatur abgekühlt, die niedriger als der Taupunkt der Verbrennungsstoffe liegt und parallel dazu niedriger ist als die Temperatur des Rücklaufzweigs (4) des Heizmediums. Bei der Abkühlung kommt es zur Kondensation des Wasserdampfs und zur Abtrocknung der Verbrennungsstoffe. Die Verbrennungsstoffe werden bis unter die Temperatur der Verflüssigung abgekühlt, wobei aus dem Verbrennungsstoff CO2 abgeschieden wird. Die Wärme aus dem Thermokondensator (1) wird in die Wärmepumpe (9) abgeleitet, die an ihrem Ausgang das Heizmedium erwärmt, vorrangig im Rücklaufzweig (4). Wenigstens ein Teil der Wärmequelle (2) weist die Form der Kogenerationseinheit auf, welche elektrische Energie produziert. Dabei wird mindestens ein Teil der produzierten elektrischen Energie zum Antrieb einer Wärmepumpe (9) benutzt. Die Verbrennungsstoffe werden nach dem Verlassen des Thermokondensators (1) auch in einem zweiten Wärmetauscher erwärmt. In der Ableitung der Verbrennungsstoffe ist der Thermokondensator (1) als Wärmequelle (2) für die Wärmepumpe (9) und/oder den Abscheider (6) für CO2 integriert.

Description

österreichisches Patentamt AT13 731 U1 2014-07-15
Beschreibung
VERFAHREN UND VERARBEITUNGSVORRRICHTUNG FÜR VERBRENNUNGSSTOFFE AUS EINER WÄRMEQUELLE
[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verarbeitung von Verbrennungsstoffen aus einer Wärmequelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Verarbeitungsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
[0002] Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verarbeitung von Verbrennungsstoffen, welche bei einem Verbrennungsprozess in Wärmeanlagen, Kogene-rationseinheiten, Elektrizitätswerken und ähnlichen entstehen, wobei der gasförmige Brennstoff, vor allem Erdgas oder Methan, Biogas, Geothermalgas oder andere wasserstoffhaltige Gasmischungen, verbrannt wird. Diese Erfindung beschreibt hier eine effektivere und nicht traditionelle Verwendung des Gasbrennstoffs für eine Heizung, wobei die Verbrennungsstoffe mit dem Ziel verarbeitet werden, daraus weiter nutzbare Wärme zu gewinnen und eventuell auch mit dem Ziel, aus dieser C02 zu beseitigen.
[0003] Bekannt sind Gaskessel, welche die Kondenswärme nutzen. Bei der Verbrennung von Erdgas CH4 oder von Propan C3H8 bzw. eines anderen Gasbrennstoffs brennt der Wasserstoff H2, der in diesen Gasarten enthalten ist. Bei der Verbrennung des Wasserstoffs H2 wird zusammen mit dem entstehenden Kohlendioxid C02 auch Wasserdampf gebildet. Durch die Abkühlung der Verbrennungsstoffe unter den Taupunkt kommt es zur Kondensation des Wasserdampfs H20, der in Verbrennungsstoffen enthalten ist, und zur Freisetzung der Kondensationswärme. Das Gas mit dem Volumen von 1m3 enthält annähernd 0,17 kg Wasserstoff H2. Bei dessen Verbrennung entsteht 1,54 kg Wasser H20 in Form von ca. 2 m3 Wasserdampf. Bei der Verdampfungswärme des Wassers von 2.499 kJ/kg stellt die Kondensierung dieses Dampfes 3.848,5 kJ latente Wärme dar. Die bekannten Lösungsformen bei Kondensationskesseln arbeiten so, dass das Heizmedium im Rücklaufzweig eine ausreichend niedrigere Temperatur aufweist als der Taupunkt. Dies ist bei geläufigen Verbrennungsbedingungen weniger als 57° C. Die Temperatur des Heizmediums im Rücklaufzweig des Kondensationskessels sollte im Bereich von 35 bis 40 °C liegen.
[0004] Eine solche Lösungsform ist bei einer Zentralheizung, wo das Heizwerk mit viel wärmerem Heizmedium im Rücklaufzweig arbeitet, nicht anwendbar.
[0005] Die bekannte Schaltung von Thermokondensatoren in der Ableitung der Verbrennungsstoffe von dem Kessel der Zentralheizung hat aber den Nachteil, dass die Verbrennungsstoffe nicht unter die Temperatur des Rücklaufzweigs abgekühlt werden können. Die Teilkondensation beginnt erst bei einer Temperatur der Verbrennungsstoffe unterhalb von 70° C. Die effektive Nutzung der Nennzustandswärme kommt erst bei der Temperatur unterhalb des Taupunkts zustande. Je besser es gelingt, die Verbrennungsstoffe abzukühlen und je intensiver die Kondensierung des Wasserdampfs aus den Verbrennungsstoffen erfolgt, desto mehr Restwärme kann verwertet werden. Die derzeit verwendeten Thermokondensatoren, welche in der Leitung der Verbrennungsstoffe vom Kessel zur Zentralheizung eingeschaltet sind, führen in der Regel lediglich zu einer Vergrößerung der die wärmetauschenden Kesselfläche.
[0006] Ähnliche Lösungen, die in den Patentanmeldungen FR2921717A1, CN1865815A beschrieben sind, behandeln dabei aber nicht die Bildung eines ausreichenden Temperaturgradienten am Thermokondensator.
[0007] Es ist eine solche Lösungsvariante erforderlich, welche bei verschiedenen auch höheren Temperaturen des Rücklaufzweigs es möglich macht, die Verbrennungsstoffe abzukühlen und diese zur Heizung zu gebrauchen. Gleichzeitig könnte die höhere Abkühlungsstufe der Verbrennungsstoffe zu einer nachfolgenden Abscheidung von C02 in flüssiger Form führen.
[0008] Es ist Aufgabe der Erfindung, diesen Nachteil der bekannten Verfahren und Vorrichtungen wirksam zu beseitigen, wobei die Verbrennungsstoffe durch Verbrennung von Gasbrenn- 1 /13 österreichisches Patentamt AT 13 731 U1 2014-07-15
Stoff in einer Wärmequelle entstehen. Als Gasbrennstoffe sind vorzugsweise Erdgas, Methan, Biogas, geothermales Gas oder anderes wasserstoffhaltiges Gas verwendet, wobei die Wärmequelle die Wärme des Heizmediums an den Rücklaufzweig abgibt und das Heizmedium zur Wärmequelle zurückgeführt wird.
[0009] Die Basis der Erfindung besteht darin, dass die Verbrennungsstoffe nach Verlassen der Wärmequelle in einem Kondensator immer auf eine Temperatur abgekühlt werden, die tiefer liegt, als der Taupunkt der Verbrennungsstoffe und zugleich niedriger ist, als die Temperatur des Rücklaufzweigs des Heizmediums. Durch die Abkühlung kommt es zu einer Kondensation des Wasserdampfs und einer Abtrocknung der Verbrennungsstoffe. Der Thermokondensator stellt einen spezifischen Typ des Wärmetauschers dar, welcher der aggressiven Wirkung des aus dem Verbrennungsstoff ausgefällten Kondensats angepasst ist.
[0010] Diese Abkühlung der Verbrennungsstoffe unter die Temperatur des Rücklaufzweigs kann nicht mit dem Wärmetauscher durchgeführt werden, der mit dem Heizmedium im Rücklaufzweig arbeitet. Es ist umgekehrt ein ausreichender Temperaturgradient erforderlich, was auf den ersten Blick technische Komplikationen hervorrufen kann. Zentrale Wärmequellen arbeiten mit einer relativ hohen Temperatur im Rücklaufzweig. Bei dieser Temperatur kann auch bei großen wärmetauschenden Flächen keine Kondensierung der Verbrennungsstoffe mit einer direkten Ausnützung des Rücklaufzweigs erreicht werden. Auch bei einer Erhöhung der Ausgangstemperatur und anschließend auch der Temperatur im Rücklaufzweig in den klassischen Kondensierungskesseln, z. B. bei erhöhten Wärmeverlusten des beheizten Objekts, kommt es zu einer realen Reduzierung der Wirkung der Kondensationskessel, welche hauptsächlich für eine Niedrigtemperaturbeheizung vorgesehen sind.
[0011] Im Falle der Zentralheizung gemäß dieser technischen Lösung werden die Verbrennungsstoffe aus der Wärmequelle im Thermokondensator abgekühlt, dessen Kühlkreis nicht direkt mit dem Rücklaufzweig des Heizmediums verbunden ist. Die hier verwendete Kühlungsart weist zwei Hauptvorteile auf, die miteinander kombinierbar sind. Durch eine Abkühlung im Thermokondensator wird Wärme freigesetzt, und parallel dazu kann aus den abgetrockneten Verbrennungsstoffen durch eine weitere Abkühlung C02 wirksam beseitigt werden. Das C02 wird für Glashausgas gehalten, und dessen Freisetzung in die Atmosphäre wird auf verschiedenen Ebenen sanktioniert. Das Heizmedium hat gewöhnlich die Form von aufbereitetem Wasser.
[0012] Die freigesetzte Wärme im Thermokondensator wird im Bezug zum Heizmedium als thermisch niedrig angesehen und kann auch nicht direkt in den Rücklaufzweig verschoben werden. Aus diesem Grund soll bei dieser günstigen Lösungsvariante der die Verbrennungsstoffe abkühlende Thermokondensator an die Wärmepumpe auf die Art und Weise angeschlossen werden, dass die Wärme aus dem Thermokondensator durch das wärmetragende Medium dem Eingang der Wärmepumpe zugeleitet wird, durch den die Wärme in den Rücklaufzweig des Heizmediums transportiert wird. Auf diese Weise wird die Vorwärmung des Heizmediums vor dem Eintritt in die Hauptwärmequelle sichergestellt. Die Wärmepumpe soll in einer günstigen Anordnung so arbeiten, dass der Niedrigtemperaturkreis am Eingang der Wärmepumpe in der Schlaufe mit dem Thermokondensator geschlossen bleibt. Parallel dazu sind in diesem Kreislauf ein regulierbares Dreiwegeventil und eine Umlaufpumpe vorhanden, wobei die Umlaufpumpe das wärmetragende Medium auch aus einer anderen Quelle einer niedrigpotentiellen Wärme zuleiten kann.
[0013] Die im Thermokondensator abgekühlten Verbrennungsstoffe können an seinem Eingang teilweise in einem zweiten Wärmetauscher erwärmt werden. Dabei kann dieser mit dem ersten Wärmetauscher verbunden sein, der vor dem Thermokondensator angeordnet ist. Auch in dem Fall, dass die Verbrennungsstoffe auf die ursprüngliche Temperatur, welche sie vor dem Eintritt in den Thermokondensator aufweisen, erwärmt werden, wäre die Wärmebilanz positiv. Da sich aber in den trockenen Verbrennungsstoffen eigentlich Wasser befindet, ist es nicht erforderlich, dieses erneut zu erwärmen. Es ist von Vorteil, die Verbrennungsstoffe nur teilweise zu erwärmen und zwar knapp über die Temperatur des Taupunkts, damit auch eventuelle Wasserreste 2/13 österreichisches Patentamt AT 13 731 U1 2014-07-15 nicht dazu neigen, im Schornstein zu kondensieren. Nach dem zweiten Wärmetauscher kann noch ein Verbrennungsstoffventilator angeordnet sein.
[0014] Als gravierender Vorteil der neuen Lösungsvariante gilt die Möglichkeit, aus den getrockneten Verbrennungsstoffen, eben das C02, z. B. durch eine Verflüssigung, beseitigen zu können. Der Abscheider für C02 kann nach dem Thermokondensator, ggf. nach dem zweiten Wärmetauscher, angeordnet sein.
[0015] Besonders vorrangig zeigt sich eine Anordnung, bei der die Wärmequelle oder wenigstens ein Teil der Wärmequelle von einer Kogenerationseinheit gebildet wird, welche die elektrische Energie produziert und parallel dazu auch die Wärme liefert. Die erzeugte elektrische Energie kann sowohl zum Antrieb der Wärmepumpe als auch zur Einspeisung der sonstigen Regelungselemente und Umlaufpumpen genutzt werden. Die Staffelung der einzelnen Vorwärmstufen des Rücklaufzweigs kann unterschiedlich ausfallen, z. B. so, dass zunächst das Heizmedium durch die Wärmepumpe, nachher durch die Abfallwärme aus der Kogenerationseinheit und im Anschluss daran direkt durch die Verbrennungsstoffe im ersten Wärmetauscher des Typs Gas/Flüssigkeit erwärmt wird. Eine solche Reihenfolge ist aus dem Gesichtspunkt der erforderlichen Temperaturgradienten von Vorteil, prinzipiell ist aber auch eine andere Staffelung bzw. Auslassung eines Vorwärmtyps bei der Erhaltung der neuen technischen Lösung möglich.
[0016] Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: [0017] Fig. 1 schematisch die Anordnung des Thermokondensators am Ausgang der Verbren nungsstoffe aus dem Kessel, zusammen mit zwei Wärmetauschern und einem Ventilator der Verbrennungsstoffe, wobei der Thermokondensator die Wärme an die Wärmepumpe weiterleitet, [0018] Fig. 2 schematisch die Anordnung eines Abscheiders am Ausgang der Verbrennungs stoffe aus dem Kessel, zusammen mit zwei Wärmetauschern und einem Ventilator der Verbrennungsstoffe, [0019] Fig. 3 das Gesamtanschlussschema eines klassischen Heizkessels einer Kogenerationseinheit und die Wärmepumpe, welche durch die elektrische Energie aus der Kogenerationseinheit angetrieben wird und [0020] Fig. 4 die Schaltung der Kogenerationseinheit mit dem Thermokondensator am Kessel. AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 1 [0021] In diesem Beispiel laut Fig. 1 und 3 ist die Schaltung im zentralen Heizwerk dargestellt, gebildet vom Verarbeitungssystem der Verbrennungsstoffe der Wärmequelle 2. Die Wärmequelle 2 wird dabei vom Gaskessel 7 oder von mehreren kaskadenförmig angeschlossenen Gaskesseln 7 für Erdgas und einer Kogenerationseinheit 8 gebildet, wobei die letztere auch Erdgas verbrennt.
[0022] Die Verbrennungsstoffe aus der Kogenerationseinheit 8 und aus den Gaskesseln 7 werden in eine gemeinsame Leitung 5 der Verbrennungsstoffe geführt, in der auch der erste plattenförmige Wärmetauscher 10 des Typs Gas/Flüssigkeit eingeschaltet ist. In diesem ersten Wärmetauscher 10 kommt es zu einer Wärmeübertragung an das Heizmedium bei Temperaturen oberhalb der Temperatur des Rücklaufzweigs 4. Nach diesem befindet sich der Thermokondensator 1, der imstande ist, die Verbrennungsstoffe unter die Temperatur des Rücklaufzweigs 4 des Heizmediums abzukühlen, da dieser nicht an den relativ warmen Rücklaufzweig 4 sondern an die Wärmepumpe 9 angeschlossen ist. Aus dem Thermokondensator 1 gelangt die Wärme über einen selbständigen Kreis mit dem wärmetragenden Medium 20 zur Wärmepumpe 9, wo dann diese Wärme des niedrigen Potentials auf eine höhere Temperatur umgepumpt wird, welche jetzt schon im Heizsystem ausgenutzt werden kann. Bei einer günstigen Einstellung wird der Ausgang der Wärmepumpe 9 den Rücklaufzweig 4 des Heizmediums erwärmen, da auf diese Weise ein besserer Temperaturgradient am entsprechenden Wärmetauscher 12 des Typs Flüssigkeit/Flüssigkeit erreicht wird. In diesem Beispiel wurde als Heizmedium und als 3/13 österreichisches Patentamt AT 13 731 U1 2014-07-15 wärmetragendes Medium 20 aufbereitetes Wasser verwendet.
[0023] Weil die anfänglichen Wärmeverhältnisse am Ausgang des Thermokondensators 1 zum Anlassen der Wärmepumpe 9 in der Regel nicht geeignet sind, wird der sonst geschlossene Kreis mit dem wärmetragenden Medium 20 und mit der Umlaufpumpe 13 um ein Dreiwegeventil 14 erweitert. Dieser Kreis ist an eine andere Quelle 16 einer niedrigpotentiellen Wärme angeschlossen, z. B. in Form eines Speichers, Behälters, Brunnens, Flusses und dgl. Nach dem Anlassen des Systems wird durch das Dreiwegeventil 14 und durch Anschluss an die Quelle des aufbereiteten Wassers die Eingangstemperatur des wärmetragenden Mediums 20 so reguliert, dass die Wärmepumpe 9 im effektiven Bereich ihrer Charakteristik verlässlich arbeitet. Nach der Konsolidierung der Temperaturverhältnisse arbeitet die Wärmepumpe 9 am Eingang ausschließlich mit dem wärmetragenden Medium 20 im geschlossenen Kreis samt dem Ther-mokondensator 1.
[0024] Im Verbrennungsstoffkreis ist in diesem Beispiel nach dem Thermokondensator 1 der Abscheider 6 für C02 angeordnet. Dieser könnte auch in einem anderen Teil des Abzugs der abgetrockneten Verbrennungsstoffe liegen. In diesem Punkt sind jedoch die Verbrennungsstoffe im Grunde genommen am kältesten und deshalb arbeitet der Abscheider 6 mit dem wirkungsvollen Prinzip der C02-Verflüssigung. Der Einsatz des Abscheiders 6 für C02 ist dabei nicht unausweichlich, dieser begünstigt nur die gesamten Nutzeigenschaften dieser Schaltung.
[0025] Nach dem Abscheider 6 für C02 befindet sich noch der zweite Wärmetauscher 11 des Typs Gas/Flüssigkeit. Die Aufgabe des zweiten Wärmetauschers 11 ist es dabei, die abgetrockneten Verbrennungsstoffe auf die Temperatur oberhalb des Taupunkts zu erwärmen. Der erste Wärmetauscher 10 ist mit dem zweiten Wärmetauscher 11 parallel geschaltet, und die Ausgänge aus dieser Schaltung münden im Rücklaufzweig 4 des Heizmediums, vorrangig bis nach dem Anschluss der Wärmetauscher 12 von der Wärmepumpe 9 und von der Kogenerati-onseinheit 8. Die Verbrennungsstoffe geben also zuerst einen Teil ihrer Wärme im ersten Wärmetauscher 10 ab, und diese Wärme kann zur Erwärmung des Rücklaufzweigs 4 bzw. für die spätere Anwärmung der abgekühlten und im Thermokondensator 1 abgetrockneten Verbrennungsstoffe genutzt werden. Die niedrigprozentuale Wärme, welche aus den Verbrennungsstoffen im Thermokondensator 1 einschließlich der Kondensationswärme aus dem Wasserdampf gewonnen wird, bildet die Wärmequelle am Eingang der Wärmepumpe 9.
[0026] Nach dem zweiten Wärmetauscher 11 ist in der Leitung 5 der Verbrennungsstoffe der Verbrennungsstoffventilator 15 installiert, welcher den Zug im Kamin begünstigt. Der Zug im Kamin verbessert auch die Erwärmung der abgetrockneten Verbrennungsstoffe im zweiten Wärmetauscher 11.
[0027] In diesem Beispiel besteht die Kogenerationseinheit 8 aus einem klassischen Verbrennungsmotor, welcher zum Antrieb 19 mit Erdgas angepasst ist, wobei die Verbrennungsstoffe in die gemeinsame Verbrennungsstoffleitung 5 einmünden. Die Kogenerationseinheit 8 bildet die Wärme, welche in den Rücklaufzweig 4 abgeleitet wird. Es kann sich dabei um eine direkte Schaltung oder in einer günstigen Anordnung laut diesem Beispiel um einen getrennten Kreislauf handeln, der über den Wärmetauscher 12 (Flüssigkeit/Flüssigkeit) an den Rücklaufzweig 4 des Heizmediums angeschossen ist. Der Umlauf in dem Zweig Wärmetauscher - Kogenerationseinheit 8 wird durch die Umlaufpumpe 13 sichergestellt. Diese Umlaufpumpe 13 kann dabei auch auf der Anschlussseite des Wärmetauschers 12 am Rücklaufzweig 4 eingesetzt werden. Mit Rücksicht auf die bestehenden hydraulischen Verhältnisse in der Rohrleitung und im Wärmetauscher 12 wird diese Umlaufpumpe 13 auch die Regelungsfunktion ohne notwendiges Anschließen der klassischen Ventile 17 sicherstellen. Die klassischen Ventile 17 können als Bypass beim ersten Wärmetauscher 10, als Bypass beim Wärmetauscher 12 der Wärmepumpe 9, am Anschluss einer anderen Quelle 16 der niedrigpotentiellen Wärme sowie an anderen Stellen angeordnet sein.
[0028] Die Kogenerationseinheit 8 ist mit ihrem elektrischen Ausgang an das öffentliche Verteilungssystem 18 der elektrischen Energie angeschlossen, wozu die bekannten Anschlussarten der Regelungselemente, Synchronisierungselemente und eventuell auch ein Transformator 4/13 österreichisches Patentamt AT 13 731 U1 2014-07-15 gehören. Im Rahmen der Bedürfnisse des Heizkraftwerks wird der elektrische Ausgang aus der Kogenerationseinheit 8 zur Einspeisung aller Systeme einschließlich der Wärmepumpe 9, der Umlaufpumpen 13 und der Regelungselemente verwendet.
[0029] Temperaturverläufe, Temperaturgradienten in den einzelnen Anschlussteilen können in diesem Beispiel wie folgt beschrieben werden. Das zentrale Heizwerk versorgt mit seiner Wärme die Siedlungen in der Stadt, wobei das Heizmedium im Rücklaufzweig 4 am Eingang zum Heizwerk die Temperatur von 50° C aufweist. Bei gewöhnlichem Anschluss sollte der Kessel 7 für Gasbrennstoff 19 das 50° C warme Heizmedium auf 75° C erwärmen, welche im Ausgangszweig 3 nur im Rahmen der direkten Beheizung im Kessel erforderlich sind. Der erste Abzweig im Rücklaufzweig 4 stellt das Anschließen des Wärmetauschers 12 im Zweig der Wärmepumpe 9 dar. Für die regulierte Umleitung bei dieser Anschlussart sorgt das Ventil 17. Im Wärmetauscher 12 wird das Heizmedium auf 52° C erwärmt und zwar dank dem Temperaturgradienten von 55° C/50° C auf der Seite der Wärmepumpe 9. Die Wärmepumpe 9 ist also imstande, den Rücklaufzweig 4 um 2° C vorzuwärmen. Im Kreislauf zwischen der Wärmepumpe 9 und dem Wärmetauscher 12 ist die Umlaufpumpe 13 installiert.
[0030] Ferner ist im Rücklaufzweig 4 durch die Umlaufpumpe 13 der Wärmetauscher 12 von der Seite der Kogenerationseinheit 8 angeschlossen. Aus der Kogenerationseinheit 8 treten die 60° C warmen Verbrennungsstoffe heraus. Aus der Kogenerationseinheit 8 tritt auch das 78° C wärmetragende Medium heraus, welches nach der Wärmeabgabe den Wärmetauscher 12 mit der Temperatur von 56° C verlässt. Dieser Temperaturgradient ermöglicht die Erwärmung des Heizmediums von 52° C auf 55° C. Im weiteren Verlauf werden am Rücklaufzweig 4 der Eingang und der Ausgang des ersten sowie des zweiten Wärmetauschers 10, 11 angeschlossen, die gegeneinander parallel geschaltet sind. Das Heizmedium mit der Temperatur von 55° C tritt zunächst mit Hilfe der Umlaufpumpe 13 in den zweiten Wärmetauscher 11 ein, wobei davon die Verbrennungsstoffe erwärmt werden. Der Ausgang aus dem zweiten Wärmetauscher 11 ist mit dem Eingang des ersten Wärmetauschers 10 verbunden, wobei das Heizwasser noch durch die heißen Verbrennungsstoffe vor ihrem Eintritt in den Thermokondensator 1 erwärmt wird. Hier wird das Heizmedium auf 57° C erwärmt und kommt zum Rücklaufzweig 4 zurück mit der Temperatur von 56° C (die Differenz zwischen den Werten 56° C und 57° C wird durch Wärmeverluste verursacht).
[0031] In den Kessel 7 tritt das auf 56° C vorgewärmte Heizmedium ein, was eine bedeutende Einsparung der Wärme im System bedeutet. Der Kessel 7 versorgt das Heizmedium im Ausgangszweig mit wesentlich kleinerer direkt freigesetzter Wärme.
[0032] Vereinfacht kann gesagt werden, dass in diesem Beispiel bestimmte Energie eingespart wird, welche der Erwärmung des Heizmediums von 50° C auf 56° C entspricht. Im selbständigen Kreis der Wärmepumpe 9 läuft das wärmetragende Medium um, wobei direkt am Eingang der Wärmegradient 10° C/18° C beträgt. Am Ausgang des Thermokondensators 1 wird dabei der Temperaturgradient 10° C/310 C verzeichnet. Die geeignete Regelung der Wärme stellt dabei das Dreiwegeventil 14 sicher.
[0033] An diesem Beispiel der Temperaturen ist der Vorteil der neuen Vorrichtung ersichtlich. Der Kühlkreislauf des Thermokondensators 1 wird vom wärmetragenden Medium mit der Temperatur von nur 10° C versorgt, was der ausreichende Temperaturgradient ermöglicht, welcher mit Hilfe des mindestens 50° C warmen Heizmediums nicht erreicht werden kann.
[0034] Alle diesem Beispiel zu entnehmenden Temperaturen sollen nur als Beispiel angesehen werden, das von anderen Beispielen auch mehr im Bereich von +- 10° C abweichen kann, wobei eher das gemeinsame Temperaturniveau als der konkrete Wert von Bedeutung ist. Deshalb müssen die angegebenen Temperaturwerte als Beispiel betrachtet werden, welches den Schutzbereich nicht auf diese Werte beschränkt. AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 2 [0035] In diesem Beispiel laut Fig. 2 und 4 ist die Schaltung mit der Kogenerationseinheit 8 dargestellt, welche mit Gasbrennstoff angetrieben wird. In diesem Fall ist Biogas verwendet, 5/13 österreichisches Patentamt AT 13 731 U1 2014-07-15 und dieses bildet auch die Wärmequelle 2. Gegenüber dem vorherigen Beispiel gibt es in dieser Art der Schaltung keine Wärmepumpe 9. Die Verbrennungsstoffe werden nach dem Durchgang durch den ersten Wärmetauscher 10 zum Abscheider 6 für C02 geleitet, wo sie auf das Temperaturniveau des Rücklaufzweigs 4 des Heizmediums abgekühlt werden und zwar auf das Niveau der C02-Verflüssigung. Im Anschluss daran werden dann die abgetrockneten Verbrennungsstoffe im zweiten Wärmetauscher 11 erwärmt und durch den Verbrennungsstoffventilator 15 in die Atmosphäre abgeleitet. Prinzipiell kann eine solche Anordnung auch mit der Schaltung des Kessels für Gasbrennstoff kombiniert werden, wobei die konkrete Schaltung durch die Verhältnisse der erforderlichen elektrischen und thermischen Leistung beeinflusst wird.
[0036] Die industrielle Verwertung ist offensichtlich. Laut dieser technischen Lösung ist es möglich, die Wärme aus dem Verbrennungsstoff der Wärmequelle industriell und wiederholt auszunutzen und vorrangig auch aus dem Verbrennungsstoff C02 abzuscheiden. Diese Schaltung und die damit zusammenhängende Ausführung steigert die thermische Wirkung des Verfahrens und der Vorrichtung. Sie erhöht die technische Verwertbarkeit des Gasbrennstoffs.
VERZEICHNIS DER BEZUGSZEICHEN 1 - Thermokondensator 2 - Wärmequelle 3 - Ausgangszweig des Heizmediums 4 - Rücklaufzweig des Heizmediums 5 - Leitung der Verbrennungsstoffe 6 - C02 Abscheider 7 - Gaskessel 8 - Kogenerationseinheit 9 - Wärmepumpe 10 - der erste Wärmetauscher (Typ Gas/Flüssigkeit) 11 - der zweite Wärmetauscher (Typ Gas/Flüssigkeit) 12 - Wärmetauscher (Typ Flüssigkeit/Flüssigkeit) 13 - Umlaufpumpe 14 - Dreiwegeventil 15 - Verbrennungsstoffventilator 16 - Quelle der niedrigpotentiellen Wärme 17 - Ventil 18 - elektrisches Verteilungssystem 19 - Gasbrennstoff 20 - wärmetragendes Medium 6/13

Claims (22)

  1. österreichisches Patentamt AT 13 731 U1 2014-07-15 Ansprüche 1. Verfahren zur Verarbeitung von Verbrennungsstoffen, welche durch Verbrennung eines Gasbrennstoffs (19) in einer Wärmequelle (2) entstehen, insbesondere von Verbrennungsstoffen aus einem wasserstoffhaltigen Gasbrennstoff (19), wobei die Wärmequelle (2) Wärme an ein Heizmedium eines zentralen Heizwerks für Gebäude in einem Ausgangszweig (3) übergibt und das Heizmedium über einen Rücklaufzweig (4) zur Wärmequelle (2) zurückgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsstoffe nach dem Verlassen der Wärmequelle (2) in einem Thermo-kondensator (1) auf eine Temperatur abgekühlt werden, die niedriger liegt als der Taupunkt der Verbrennungsstoffe und gleichzeitig tiefer ist als die Temperatur des Heizmediums im Rücklaufzweig (4) und dass bei der Abkühlung eine teilweise Kondensierung des Wasserdampfs, eine Freisetzung der Wärme aus dem Verbrennungsstoff und wenigstens eine teilweise Abtrocknung der Verbrennungsstoffe erreicht wird.
  2. 2. Verfahren zur Verarbeitung von Verbrennungsstoffen einer Wärmequelle (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsstoffe auf die Temperatur im Bereich von 10°C bis 50° C, vorrangig auf 25° C bis 40° C, abgekühlt werden.
  3. 3. Verfahren zur Verarbeitung von Verbrennungsstoffen einer Wärmequelle (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsstoffe bis auf oder unter die Temperatur einer C02-Verflüssigung abgekühlt werden und dass aus dem in die Atmosphäre abgeleiteten Verbrennungsstoff C02 abgeschieden wird.
  4. 4. Verfahren zur Verarbeitung von Verbrennungsstoffen einer Wärmequelle (2) 1 nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme aus dem Verbrennungsstoff, vorrangig mittels eines Thermokondensators (1), der Wärmepumpe (9) zugeleitet wird, wobei das an ihrem Ausgang auftretende Heizmedium, vorrangig im Rücklaufzweig (4) des Heizmediums, erwärmt wird.
  5. 5. Verfahren zur Verarbeitung von Verbrennungsstoffen einer Wärmequelle (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsstoffe noch vor dem Thermokondensator (1) durch einen ersten Wärmetauscher (10) geleitet werden, durch den das Heizmedium im Rücklaufzweig (4) erwärmt wird.
  6. 6. Verfahren zur Verarbeitung von Verbrennungsstoffen einer Wärmequelle (2) nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Wärmequelle (2) in einer Kogenerationseinheit (8) bebildet wird, wobei in dieser elektrische Energie produziert wird.
  7. 7. Verfahren zur Verarbeitung von Verbrennungsstoffen einer Wärmequelle (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der produzierten elektrischen Energie zum Antrieb einer Wärmepumpe (9) und/oder von Regelungselementen und/oder von Umlaufpumpen (13) verwendet wird. 7/13 österreichisches Patentamt AT 13 731 U1 2014-07-15
  8. 8. Verfahren zur Verarbeitung von Verbrennungsstoffen einer Wärmequelle (2) nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizmedium durch die Abfallwärme der Kogenerationseinheit (8), vorrangig im Rücklaufzweig (4) und insbesondere durch den Wärmetauscher (12) mit der Umlaufpumpe (13), beheizt wird.
  9. 9. Verfahren zur Verarbeitung von Verbrennungsstoffen einer Wärmequelle (2) nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsstoffe nach dem Verlassen des Thermokondensators (1) in einem zweiten Wärmetauscher (11), vorrangig über die Temperatur des Taupunkts der Verbrennungsstoffe oder einer dem Taupunkt der Verbrennungsstoffe naher Temperatur, erwärmt werden.
  10. 10. Verfahren zur Verarbeitung von Verbrennungsstoffen einer Wärmequelle (2) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Erwärmen der Verbrennungsstoffe gebrauchte Wärme nach dem Verlassen des Thermokondensators (1) aus dem ersten Wärmetauscher (10), der vor dem Thermo-kondensator (1) installiert ist, oder aus dem Heizmedium im Rücklaufzweig (4) gewonnen wird.
  11. 11. Verfahren zur Verarbeitung von Verbrennungsstoffen einer Wärmequelle (2) nach Anspruch 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmetragende Medium zwischen dem Thermokon-densator (1) und der Wärmepumpe (9) gemeinsam durch ein Dreiwegeventil (14) vermischt oder mit dem wärmetragenden Medium aus einer anderen Quelle (16) mit niedrigpotentieller Wärme vermengt wird.
  12. 12. Verarbeitungsvorrichtung für Verbrennungsstoffe zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 11, welche durch Verbrennung eines Gasbrennstoffs (19) in einer Wärmequelle (2) entstehen, insbesondere aus einem wasserstoffhaltigen Gasbrennstoff (19), wobei die Wärmequelle (2) an die Ausgangs- und Rücklaufzweige (3, 4) des Heizmediums eines zentralen Heizwerks für Gebäude angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Leitung (5) der Verbrennungsstoffe ein Wärmeelement mit einer Wärmewechselfläche, die auf eine Temperatur tiefer als die Temperatur des Rücklaufzweigs (4) des Heizmediums abgekühlt ist, eingebaut ist, wobei dieses Wärmeelement bevorzugt als Bestandteil eines Thermokondensators (1) ausgebildet ist.
  13. 13. Verarbeitungsvorrichtung für Verbrennungsstoffe einer Wärmequelle (2) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der Leitung (5) der Verbrennungsstoffe, vorrangig im Abzugsteil mit wenigstens teilweise abgetrockneten Verbrennungsstoffen, ein Abscheider (6), der auf dem Abkühlprinzip arbeitet, integriert ist.
  14. 14. Verarbeitungsvorrichtung für Verbrennungsstoffe einer Wärmequelle (2) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Thermokondensator (1) am Eingang der Wärmepumpe (9) und der Ausgang der Wärmepumpe (9) an die Erwärmung des Rücklaufzweigs (4) des Heizmediums angeschlossen sind.
  15. 15. Verarbeitungsvorrichtung für Verbrennungsstoffe einer Wärmequelle (2) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang der Wärmepumpe (9) am Rücklaufzweig (4) des Heizmediums mit Hilfe des Wärmetauschers (12) angeschlossen ist. 8/13 österreichisches Patentamt AT 13 731 U1 2014-07-15
  16. 16. Verarbeitungsvorrichtung für Verbrennungsstoffe einer Wärmequelle (2) nach Anspruch 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle (2) aus einem Kessel (7) für Gasbrennstoff und/oder einer Kogene-rationseinheit (8) besteht, wobei ihre elektrische Ausgangsverteilung (18) zur Wärmepumpe (9) als Quelle der elektrischen Energie angeschlossen ist.
  17. 17. Verarbeitungsvorrichtung für Verbrennungsstoffe einer Wärmequelle (2) nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung der Kogenerationseinheit an die Erwärmung des Heizmediums, vorrangig im Rücklaufzweig (4) durch Wärmetauscher (12), angeschlossen ist.
  18. 18. Verarbeitungsvorrichtung für Verbrennungsstoffe einer Wärmequelle (2) nach Anspruch 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass am Kreis mit dem wärmetragenden Medium (20) zwischen der Wärmepumpe (9) und dem Thermokondensator (1) eine fremde Quelle (16) mit niedrigpotentieller Wärme angeschlossen ist.
  19. 19. Verarbeitungsvorrichtung für Verbrennungsstoffe einer Wärmequelle (2) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kreis mit dem wärmetragenden Medium (20) ein Dreiwegeventil (14) integriert ist.
  20. 20. Verarbeitungsvorrichtung für Verbrennungsstoffe einer Wärmequelle (2) nach Anspruch 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass in der Leitung (5) der Verbrennungsstoffe der erste Wärmetauscher (10) integriert ist und zwar vor dem Thermokondensator (1) und/oder vor dem Abscheider (6) für C02, dass nach dem Thermokondensator (1) und/oder nach dem Abscheider (6) für C02 der zweite Wärmetauscher (11) installiert ist, wobei die beiden Wärmetauscher (10, 11) am Rücklaufzweig (4) des Heizmediums angeschlossen sind und wobei sie vorrangig parallel geschaltet sind.
  21. 21. Verarbeitungsvorrichtung für Verbrennungsstoffe einer Wärmequelle (2) nach Anspruch 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass in der Leitung (5) der Verbrennungsstoffe ein Verbrennungsstoffventilator (15) integriert ist.
  22. 22. Verarbeitungsvorrichtung für Verbrennungsstoffe einer Wärmequelle (2) nach Anspruch 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens eine Umlaufpumpe (13) und mindestens ein Ventil (17) aufweist. Hierzu 4 Blatt Zeichnungen 9/13
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