AT507617A1 - HEAT PUMP - Google Patents
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Description
Beschreibung:Description:
Ziel der Erfindung ist es mit Hilfe einer Wärmepumpe mit möglichst wenig Arbeitsinvestition der Umgebung (Luft, Wasser usw.) ständig Wärme auf niedrigem Niveau zu entnehmen und sie in Brauchwärme zu transponieren und einer Niederteraperaturheizung zuzuführen.The aim of the invention is to use a heat pump with the least possible investment in the environment (air, water, etc.) to constantly remove heat at a low level and to transpose them into domestic heat and supply a Niederteraperaturheizung.
Diese Temperaturanhebung wird heutzutage vorwiegend mittels Kompressoren, Kältemittel und Expansionsventil in einem geschlossenen Kreislauf erreicht. Der Antrieb des Kompressors ist relativ arbeitsintensiv und braucht Fremd— energle z.B. Strom. Während die Verdichtungswärmepumpen mechanisch betrieben werden, funktionie ren Absorptionswärmepumpen durch Zufuhr von Wärmeenergie, wobei auch bei diesem Verfahren die Expansion und Abkühlung des Arbeitsmediums mittels Drosselventil erfolgt. tThis temperature increase is achieved today mainly by means of compressors, refrigerant and expansion valve in a closed circuit. The drive of the compressor is relatively labor-intensive and requires foreign energy, e.g. Electricity. While the compression heat pumps are mechanically operated, operating absorption heat pumps by supplying heat energy, which also takes place in this process, the expansion and cooling of the working fluid by means of a throttle valve. t
Demgegenüber wird bei der neuartigen Wärmepumpe die Drucksenkung anstatt eines Drosselventils durch Verwendung eines neutralen Gases bewirkt.In contrast, the pressure reduction is effected in the novel heat pump instead of a throttle valve by using a neutral gas.
Nach dem Gesetz von Dalton äußert sich der Gesamtdruck einer Gasmischiing als Summe aus den Partialdrücken der Einzelgase aus der die Mischung besteht. Daher bestimmt sich der Druck des Gemisches aus dem Partialdruck des Kühlmittels und dem Teildruck des Inertgases.According to the law of Dalton, the total pressure of a gas mixture is expressed as the sum of the partial pressures of the individual gases from which the mixture is made. Therefore, the pressure of the mixture is determined from the partial pressure of the refrigerant and the partial pressure of the inert gas.
Das flüssige Kühlmittel beispielsweise Ammoniak verdampft somit in das In-ertgas wie ^ oder ^ hinein. Hiedurch bildet sich ein Gasgemisch aus NH^ und H2 bzw. N2, wobei die erforderliche Verdampfungswärme der Umgebung mittels Wärmetauscher zu entnehmen ist.The liquid coolant, for example ammonia, thus evaporates into the inert gas, such as ^ or ^. As a result, a gas mixture of NH ^ and H2 or N2 forms, whereby the required heat of evaporation of the environment can be found by means of heat exchangers.
Das Gasgemisch muß nun einem Trennverfahren zugeführt werden.The gas mixture must now be fed to a separation process.
Das Trennverfahren des Gas-Dampf-Gemisches beruht darauf, daß geladene NH^-Moleküle im elektrischen Feld abgelenkt werden.The separation process of the gas-vapor mixture is based on the fact that charged NH ^ molecules are deflected in the electric field.
Eine Ablenkung durch Kraftwirkung von ungeladenen NH^-Molekülen in einem inhomogenen elektrischen Feld durch Dipolwirkung ist praktisch nicht wirksam. Es wirken zwar theoretisch Kräfte durch das inhomogene elektrische Feld auf die Aramoniakmoleküle, die aber zu gering sind, um die Strömungs-Verhältnisse zu überwinden. Hingegen können Abweichungen geladener NH^-Molekiile im elektrischen Feld beobachtet werden. ·· • ·· ·· ···· ·· • ·· • • ♦ ♦ • • · • • • • · ··· • · • » • • • · % ··· • • • • • · • • - 2 -A deflection by force of uncharged NH ^ molecules in an inhomogeneous electric field by dipole effect is practically not effective. Although theoretically forces act on the Aramoniakmoleküle by the inhomogeneous electric field, but too small to overcome the flow conditions. On the other hand, deviations of charged NH ^ molecules in the electric field can be observed. ···················································································································································································································· • - 2 -
Die Aufladung erfolgt durch Anwendung des Koronaauflade-Vorgangs.Charging takes place by applying the corona charging process.
Hiermit ist die Kraftwirkung auf geladene NH^-Moleküle im elektrischen Feld wesentlich wirksamer, allerdings üben die Strömungsverhältnisse einen entscheidenen Einfluß auf die Ablenkung aus. Zu hohe Strömungsgeschwindigkeiten und turbulente Strömungen verringern den Ablenkeffekt. Elektrodenanordnungen mit getrennter Auflade- und Abscheidezone haben sich in der Praxis als besonders wirkungsvoll erwiesen.Hereby, the force on charged NH ^ molecules in the electric field is much more effective, but the flow conditions exert a decisive influence on the deflection. Too high flow velocities and turbulent flows reduce the deflection effect. Electrode arrangements with a separate charging and deposition zone have proven to be particularly effective in practice.
Das Inertgas-Ammoniakdampf-Gemisch wird also nach Ionisation des Ammoniak— dampfes mittels Koronaauflade-Verfahrens durch einen engen Spalt zwischen den spezialbeschichteten Elektroden hindurchgeblasen.Thus, after ionization of the ammonia vapor by means of a corona charging process, the inert gas / ammonia vapor mixture is blown through a narrow gap between the specially coated electrodes.
Die aufgeladenen NH^-Moleküle werden in Richtung Arbeitselektrode abgelenkt, wodurch das Gemisch entsprechend dem Coulombschen Attraktionsgesetz voneinander getrennt wird. Trennzungen separieren die im Feld auseinandergezoge— nen Gase. Der Leistungsaufwand zur elektrischen Trennung ist äußerst gering und bewegt sich im lW-Bereich.The charged NH ^ molecules are deflected towards the working electrode, separating the mixture according to Coulomb's law of attraction. Separation tongues separate the gases that are segregated in the field. The power required for electrical isolation is extremely low and is in the lW range.
Ist das Inertgas Wasserstoff so kann die Reinigung des ^ vom Kältemittel in einem adiabatischen Druckdifferenzverfahren von einigen 100 Torr durch Hydridbildung erfolgen.If the inert gas is hydrogen, the purification of the refrigerant from the refrigerant can take place in an adiabatic pressure difference process of a few 100 torr by hydride formation.
Die Reinigung von Wasserstoff durch Hydridbildung ist algemein bekannt.The purification of hydrogen by hydride formation is well known.
Sie beruht auf die selektive Aufnahme von Wasserstoff durch hydridbildende Metalle, wobei der Wasserstoff absorbiert und beim Desorptionsschritt rein abgegeben wird.It is based on the selective uptake of hydrogen by hydride-forming metals, whereby the hydrogen is absorbed and released purely in the desorption step.
Die bei der Absorption freiwerdende Wärmemenge wird in mit Bailastmaterial gestreckten Hydridpellets gespeichert und bei der I^-Abgabe wieder verbraucht. (ad iaba tisches Druckwechselverfahren)The amount of heat liberated during absorption is stored in bamboo material stretched hydride pellets and consumed again at the I ^ output. (ad iabatic pressure swing method)
Dem adiabatischen Druckwechselverfahren gegenüber ist es nun vorgesehen mit Hilfe nur einer Absorbersäule die Absorption und Desorption des ^-Gases gleichzeitig ablaufen zu lassen, wobei die anfallende Wärmemenge den mit Ballastmaterial gestreckten Hydridpellets als Wärmeträgermedium zuzuführen und die bei der Desorption notwendige Wärmemenge aus dem Wärmeträgermedium zu entnehmen ist. (adiabatisches Druckdifferenzverfahren)The adiabatic pressure swing method, it is now provided with the help of only one absorber column to run the absorption and desorption of ^ gas simultaneously, the amount of heat supplied to the ballast material stretched hydride pellets as the heat transfer medium and to remove the necessary heat during desorption from the heat transfer medium is. (adiabatic pressure difference method)
Auch ist es vorgesehen das kostengünstigste Metall in die Wärmepumpe einzubauen, aber auch die Druckdifferenz zwischen Absorption und desorption klein zu halten, was wiederum vom Betriebstemperaturniveau der Anlage aber auch vom Aufbau eines elektrischen Feldes abhängt. ··It is also intended to install the most cost-effective metal in the heat pump, but also to keep the pressure difference between absorption and desorption small, which in turn depends on the operating temperature level of the system but also on the structure of an electric field. ··
• · ·· ·· « · · • · • · · • · · ·#ι· ·· • · · · • ··♦ · · • ··· • · 3• · ·· "· • · • · • · · · · · # ι • · · · • · · ♦ · • · · · • · 3
Da mittels Koronaauflade-Verfahrens ionisierte Ammoniak-Moleküle in einem statischen elektrischen Feld in Richtung Arbeitselektrode abgelenkt werden, kann es vorgesehen sein mit dem genannten Verfahren die Durchwanderungsge— schwindigkeit der Wasserstoffatome durch den Metallhydridblock infolge Erhöhung der Druckdifferenz ohne Einsatz eines Kompressors zu beschleunigen. Die aufgeladenen Ammoniakrooleküle werden im Verflüssiger in den Bereich der Arbeitselektrode hineingezogen und der Metallhydridblock als zweiter elektrischer Dipol wird somit nun nur von I^-Gas umspült, so daß an dieser Seite der im Verflüssiger herrschende Gesamtdruck, auf der entgegengesetzten Seite im Verdampfer aber lediglich der Partialdruck des Wasserstoffs zur Wirkung kommt.Since ionized ammonia molecules are deflected by means of a corona charging process in a static electric field in the direction of the working electrode, it is possible to use the process mentioned to accelerate the rate of passage of the hydrogen atoms through the metal hydride block as a result of an increase in the pressure difference without the use of a compressor. The charged ammonia molecules are drawn into the condenser in the region of the working electrode and the metal hydride as second electric dipole is thus now lapped only by I ^ -Gas, so that prevailing in the condenser total pressure on this side, but on the opposite side in the evaporator only Partial pressure of hydrogen comes into effect.
Da für die erforderliche Gaszirkulation Gebläse Verwendung finden und der Energieaufwand für die Trennung der Gasgemische mit den oben erwähnten Verfahren im Gegensatz zu den Verdichtern bei Kompressionskältemaschinen sehr klein ist, kann die Wirtschaftlichkeit von Wärmepumpen bzw. Kaltdampfmaschinen beträchtlich gesteigert werden.Since blowers are used for the required gas circulation and the energy consumption for the separation of the gas mixtures with the above-mentioned methods is very small in contrast to the compressors in compression refrigerating machines, the efficiency of heat pumps or cold steam engines can be considerably increased.
Eine Möglichkeit zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens soll nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung, veranschaulichter Einrichtung, erläutert werden.One way to carry out the method according to the invention will be explained below with reference to the accompanying drawing, illustrated device.
Die schematische Ansicht zeigt in Fig. 1 eine erfindungsgemäße mögliche Einrichtung einer Wärmepumpe mit elektrostatischer Scheidung und einem geschlossenen Kältemitteldampf-Inertgas-Kreislauf, wobei in diesem Falle Ammoniak als Kältemittel und als Inertgas Wasserstoffgas Verwendung finden und der Betriebsdruck der Anlage mit 40 bar angesetzt wurde, was eine Betriebstemperatur von 80° C im Verflüssiger bedeutet.The schematic view in FIG. 1 shows a possible device according to the invention of a heat pump with electrostatic separation and a closed refrigerant vapor-inert gas cycle, in which case ammonia is used as refrigerant and as inert gas hydrogen gas and the operating pressure of the system was set at 40 bar, which means an operating temperature of 80 ° C in the condenser.
Ein Gebläse (1) sorgt für die erforderliche Gaszirkulation und befördert das auf Umwelttemperatur aufgewärmte Ammoniakdampf-Wasserstoffgas-Gemisch aus dem als Wärmetauscher ausgebildeten Verdampfer (2) über die Leitung (3) in den Dampfraum (4) des Verflüssigers (5), nachdem in einem Wärmetauscher (6) das Gasgemisch nahezu auf das vorgesehene Betriebstemperaturniveau des Verflüssigers (5) angehoben wurde.A fan (1) provides the required gas circulation and conveys the ambient temperature heated ammonia vapor-hydrogen gas mixture from the formed as a heat exchanger evaporator (2) via the line (3) in the steam space (4) of the condenser (5), after a heat exchanger (6) the gas mixture has been raised almost to the intended operating temperature level of the condenser (5).
Im Dampfraum (4) des Verflüssigers (5) ist es nun vorgesehen die Aramoniak-raolekiile mittels Koronaauflade-Verfahrens zu ionisieren und das Gasgemisch zwischen zwei entgegengesetzt geladenen Elektroden (7 und 8), durch ein elektrisches Feld, hindurchzublasen.In the vapor space (4) of the condenser (5), it is now intended to ionize the Aramoniak-raolekiile means Koronaauflade method and the gas mixture between two oppositely charged electrodes (7 and 8), through an electric field, blow through.
Die aufgeladenen Ammoniakmoleküle erfahren im Gegensatz zum Inertgas in einem statischen elektrischen Feld während des Durchströmens eine Ablenkung in Richtung Arbeitselektrode (7) und die auseinandergezogenen Gase werden durch mindestens eine TVennzunge (9) separiert.The charged ammonia molecules in contrast to the inert gas in a static electric field during the flow through a deflection in the direction of the working electrode (7) and the separated gases are separated by at least one TVennzunge (9).
Das heiße Inertgas durchströmt Uber die Leitung (10) den Wärmetauscher (6), wird abgekühlt und nimmt im Verdampfer (2) unter weiterer Abkühlung Ammoniakdampf auf, wobei das Ammoniakdampf-Wasserstoffgas-Gernisch sodann noch im Verdampfer (2) wiederum auf Umwelttemperaturniveau aufgewärmt wird. Der mit Ammoniakdampf angereicherte Teil kondensiert durch das Unterschreiten des Taupunktes im Dampfraum (4), absorbiert im flüssigen Ammoniak (11) am Grunde des Verflüssigers (5) und gibt die Kondensationswärme ab, wodurch sich das Kondensat (11) immer weiter bis zum Siedepunkt erhitzen wUrde, wenn die anfallende Kondensationswärme nicht mittels eines Wärmetauschers (12) einer Niedertemperaturheizung zugeführt werden würde.The hot inert gas flows through the line (10) the heat exchanger (6) is cooled and takes in the evaporator (2) with further cooling ammonia vapor, the ammonia vapor hydrogen gas mixture is then reheated in the evaporator (2) in turn to environmental temperature level , The part enriched with ammonia vapor condenses by falling below the dew point in the vapor space (4), absorbed in the liquid ammonia (11) at the bottom of the condenser (5) and releases the heat of condensation, whereby the condensate (11) continues to heat up to the boiling point would, if the resulting heat of condensation would not be supplied by means of a heat exchanger (12) of a low-temperature heating.
Die im Verflüssiger (5) anfallende Kondensationswärmemenge und die erforderliche Verdampfungswärmemenge im Verdampfer (2) bilanzieren inetwa.The amount of condensing heat accumulating in the condenser (5) and the required amount of evaporation heat in the evaporator (2) are approximately equivalent.
Das gereinigte Inertgas wird also mittels des Gebläses (1) aus dem Verflüssiger (5) Uber die Leitung (10) in den Verdampfer (2) geblasen, während das Kondensat (11) mittels einer Flüssigkeitspumpe (13) und einer Leitung (14) in den Verdampfer (2) befördert wird.The purified inert gas is thus blown by means of the blower (1) from the condenser (5) via the line (10) in the evaporator (2), while the condensate (11) by means of a liquid pump (13) and a line (14) the evaporator (2) is conveyed.
Beide Medien werden im Wärmetauscher (6) gegen das kalte Ammoniakdampf-Wasser Stoff -Gemisch im Gegenstrom fließend abgekühlt, bevor schließlich im Verdampfer (2) der flüssige Ammoniak (11) in das Inertgas expandiert und unter extremer Abkühlung verdampft.Both media are cooled in the heat exchanger (6) against the cold ammonia vapor-water mixture in countercurrent flowing, before finally expanded in the evaporator (2) of the liquid ammonia (11) in the inert gas and evaporated under extreme cooling.
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