Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe. Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe mit stufenweiser Entspannung eines Arbeits mittels lind Absaugung von in den Entspan nungsstufen entstandenen Dämpfen durch unter entsprechendem Saugdruck arbeitenden Verdichterstufen, wobei der bei einer Teilent spannung flüssig gebliebene Teil des Arbeits mittels abgeschieden und jeweils der folgen den Entspannungsstufe zugeführt wird, und wobei einer Wärmequelle entzogene Wärme dem flüssigen Anteil des Arbeitsmittels in der letzten Entspannungsstufe zugeführt wird.
Das Verfahren gemäss der Erfindung zeich net sich dadurch aus, dass Teilmengen von einer Wärmequelle abgegebener Wärme ausser in der letzten Entspannungsstufe zwecks zu sätzlicher stufenweiser Verdampfung vom Ar beitsmittel in den Entspannungsstufen auch in vorgeschaltete Entspannungsstufen einge führt werden.
Ausführungsbeispiele des Verfahrens wer den an Hand der beiliegenden Zeichnung er läutert, in welcher die Abb. 1 bis 4 verschie dene Varianten einer Prinzipskizze einer Wärmepumpe zeigen.
Abb.1 zeigt eine erste Ausführung, wobei das wärmeabgebende Medium Wasser ist, das zugleich auch Arbeitsmittel der Wärmepumpe ist. In einem Sammelbehälter 1 steht Wasser von 40 C zur Verfügung. Von hier fliesst es einem Entspannungsventil El zu, in dem seine Temperatur durch Entspannung auf 30 ge- senkt wird. Die durch diese Entspannung ent standene Dampfmenge wird über eine Leitung 2 von einer zugeordneten Stufe eines Kom- pressors K angesaugt und dort verdichtet. Der Rest des Wassers fliesst einem zweiten Ent spannungsventil E2 und danach einem dritten Entspannungsventil E3 zu, wobei sich der be schriebene Vorgang jeweils wiederholt, d. h.
das Wasser von 30 wird durch Entspannung auf 20 bzw. das von 20 auf 10 gebracht, wäh rend der dabei entstandene Dampf wiederum von entsprechend niedrigeren Stufen des Kom- pressors K angesaugt und verdichtet wird. Bei dreistufiger Entspannung-Lind dreistufiger Ver- dichtimg wird von der ersten Stufe des Kom- pressors K der bei der letzten Entspannung gewonnene Dampf angesaugt und verdichtet.
In der zweiten oder einer folgenden Stufe des Kompressors kommt der Dampf aus der zwei ten Entspannungsstufe und in der dritten oder einer späteren Stufe derjenige aus der ersten Ei ntspannüngsst-Llfe hinzu, so dass jene Stufe des Kompressors nunmehr die Summe des in den beiden letzten Entspannungsstufen entstandenen Dampfes zu verdichten hat und diese Stufe die Summe des in allen drei Stufen entstandenen Dampfes.
Wenn die Verdich- i.ung "bis 40 ausreichend ist, steht die Summe des gewonnenen. Dampfes mit dem dieser Sät- tigtingstemperat-Lu entsprechenden Druck zur Verfügung und wird durch die Leitung 3 ab geführt. Ist eine höhere Temperatur bzw. ein höherer Druck erforderlich, so muss dieselbe Dampfmenge entsprechend auf diesen höheren Druck weiter verdichtet werden. Der Rest des Wassers fliesst mit einer Temperatur von 10 durch die Leitung 4 ab.
In der beschriebenen Weise wird Wärme, die von der Wärmequelle abgegeben wird, zwecks zusätzlicher stufenweiser Verdamp fung von Arbeitsmittel - in diesem Falle ist Arbeitsmittel und wärmeabgebende Flüssig keit identisch - ausser in der letzten Ent spannungsstufe auch in vorgeschaltete Ent spannungsstufen eingeführt. Zieht man jedoch wegen ungünstiger Eigenschaften der wärme abgebenden Flüssigkeit, die eine unmittelbare Verwendung erschweren oder unmöglich ma chen, die indirekte Arbeitsweise unter Benut zung von Arbeitsmitteln, wie sie in der Kälte technik benutzt werden, oder auch von Wasser vor, so lässt sich eine andere Ausführungsform der Erfindung hierfür verwenden.
Diese ist in Abb. 2 schematisch dargestellt, wobei als wärmeabgebende Flüssigkeit wie derum Wasser gewählt wurde. Das Wasser strömt aus einem Sammelbehälter 5 mit einer Temperatur von 40 einem Wärmeaustauscher W1 zu, in dem es sich auf 10 abkühlt, wäh rend gleichzeitig ein durch das Entspannungs ventil E3 auf 0 abgekühlter und durch eine Pumpe P komprimierter Teilstrom eines Ar beitsmittels im Wärmeaustauscher W in flüs sigem Zustand von 0 auf 30 erwärmt wird. Dieser Teilstrom des Arbeitsmittels fliesst durch das Entspannungsventil E1' einem Ab- scheider 6 zu, welchem auch ein anderer Teil strom des Arbeitsmittels zugeführt wird.
Die ser Teilstrom fliesst aus einem Wärmeaustau- scher W2 zu und wird in dem Entspannungs ventil E1 entspannt, wobei seine Temperatur auf 20 herabgesetzt wird. Hierbei verdampft ein Teil des flüssigen Arbeitsmittels, der von einer unter entsprechendem Saugdruck arbei tenden Stufe eines Kompressors K angesaugt wird. Das Folgende entspricht genau dem, was oben zur Abb.1 gesagt wurde.
Die in den Entspannungsstufen erzeugten Dampfmengen werden je von der entsprechenden Stufe des Kompressors angesaugt, verdichtet und ge meinsam dem Wärmeailstauscher W2 zuge- führt und dort niedergeschlagen. Durch die dabei freiwerdende Wärme verdampft eine entsprechende Wassermenge. Der so erzeugte Dampf steht dann mit beispielsweise 40 zur weiteren Verwendung zur Verfügung und kann durch die Leitung 7 dem Verdampfer entnommen werden. Bei der zuletzt beschrie benen Ausführung wird der nicht verdampfte Rest des Arbeitsmittels nach der letzten Ent spannungsstufe durch von aussen zugeführte Wärme erwärmt und durch Pumpendruck wieder dem ersten Entspanner zugeführt.
Diese heisse Flüssigkeitsmenge erhöht die schon vorhandene Kreislaufmenge, wird mit dieser zusammen entspannt, liefert dabei zu sätzliche Dampfmengen, so dass auch in diesem Fall Teilwärmemengen, die von der Wärme quelle abgegeben werden (Flüssigkeit von 40 ), ausser in der letzten Entspannungsstufe auch in vorgeschaltete Entspannungsstufen eingeführt werden, Statt zur Verdampfung von Wasser kann man die Kondensationswärme des Arbeits mittels auch zur Erwärmung von Gasen, Dämpfen, Flüssigkeiten oder festen Körpern benutzen.
Bei der indirekten Arbeitsweise, d. h. also unter Verwendung eines vom wärmeabgeben den Medium unabhängigen Arbeitsmittels, er zielt man bei der nachfolgend beschriebenen Variante ähnliche Energieausbeuten wie beim vorhergehenden. Diese Variante unterscheidet sich von der beschriebenen Variante zunächst dadurch, dass man nicht einen einzigen Wärmeaustauscher nur nach der letzten Ent spannungsstufe, sondern jeder Entspannungs stufe einen Wärmeaustauscher zuordnet.
Abb. 3 zeigt eine solche Ausführungsform, wobei als wärmeabgebende Flüssigkeit wie derum Wasser dient. Dieses strömt aus eineng Sammelbehälter 7 mit einer Temperatur von 40 einem Wärmeaustauscher WI zu, indem es sich auf 30 abkühlt, während das mit 40 aus einem Wärmeaustauscher W4 in flüssigem Zustand austretende Arbeitsmittel nach seiner Entspannung in einem Entspannungsventil E1, die schon eine kleine Verdampfung be wirkt,
in dem Wärmeaitstauscher WI noeh eine zusätzliche Verdampfung infolge der Wärmezufuhr erfährt. Derselbe Vorgang wie derholt sich noch zweimal, wobei sich das Was ser von 30 auf 20 bzw. von 20 auf 10 ab kühlt und mit dieser Temperatur wegfliesst, während das auf 25 entspannte Arbeitsmittel in der zweiten Entspannungsstufe auf 12 und in der dritten Entspannungsstufe auf 0 ent spannt wird.
Die Wärme-, Wasser- und Ar beitsmittelmengen sind so aufeinander abge stimmt, dass durch die Entspannung in der dritten Entspannungsstufe und durch die Wärmezufuhr in W3 der noch flüssige Anteil des Arbeitsmittels völlig verdampft wird. Die erste Stufe des Kompressors saugt die bei der dritten Entspannung entstandene Dampf menge an, eine der folgenden Stufen diese und die bei der zweiten Entspannung entstandene, eine spätere Stufe endlich die bei der dritten, zweiten und ersten Entspannung entstandenen Dampfmengen.
Diese Stufe oder bei höherem Druckverhältnis eine oder einige weitere Stu fen drücken dann das dampfförmige Arbeits mittel dem Wärmeaustauscher W4 zu, in dem er unter Abgabe seiner Kondensationswärme an zu verdampfendes oder zu erwärmendes Wasser niedergeschlagen wird. Im Falle der Verdampfung von Wasser steht dann dessen Dampf mit 40 zur Verfügung. Bei einem Ver gleich der beschriebenen Ausführungsbeispiele mit den bisherigen muss man davon ausgehen, dass die Wärme bei einer Temperatur von 5 im verdampfenden Medium zu übertragen ist, wenn man beispielsweise die Abkühlung einer Flüssigkeit von 40 auf 10 voraussetzt. Dabei soll durchweg unterstellt werden, dass der Nutzdampf eine Sättigungstemperatur von 40 besitzen soll.
Dies setzt wiederum voraus, dass man bei Benutzung eines Arbeitsmittels dieses auf 45 verdichten muss, damit es bei seiner Kondensation einen Nutzdampf von 40 erzeugen kann.
Nach den bisherigen Verfahren müssen also die im Verdampfer bei 5 erzeugten Dämpfe des Arbeitsmittels in beispielsweise eine, zwei oder drei Stufen auf 45 verdichtet werden. Dabei werde als Vergleichsprozess ein solcher mit geringer Unterkühlung, Drosse lung und adiabatischer Verdichtung trocken gesättigt angesaugter Dämpfe zugrunde ge legt und lediglich die Leistungsziffer des theo retischen Prozesses ermittelt und angegeben.
Die Leistungsziffer beträgt für eine Ver dichtung in
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1 <SEP> 2 <SEP> 3 <SEP> Stufen
<tb> nach <SEP> dem <SEP> bisherigen <SEP> Verfahren <SEP> mit
<tb> Wasser <SEP> als <SEP> Arbeitsmittel <SEP> 6,6 <SEP> 7,3 <SEP> 8,0
<tb> mit <SEP> Monofluortrichlormethan <SEP> als
<tb> Arbeitsmittel <SEP> 7,4 <SEP> 7,7 <SEP> 7,8
<tb> für <SEP> das <SEP> Beispiel <SEP> nach <SEP> Abb.1 <SEP> unter <SEP> Benut zung <SEP> von <SEP> Wasser <SEP> für <SEP> das <SEP> Arbeitsmittel <SEP> 9,1 <SEP> 12,9 <SEP> 14,5
<tb> für <SEP> das <SEP> Beispiel <SEP> nach <SEP> Abb. <SEP> 2 <SEP> mit
<tb> Wasser <SEP> als <SEP> Arbeitsmittel <SEP> - <SEP> 8,6 <SEP> 8,9
<tb> mit <SEP> Monofluortrichlormethan <SEP> als
<tb> Arbeitsmittel <SEP> - <SEP> 9,1 <SEP> 9,2
<tb> für <SEP> das <SEP> Beispiel <SEP> nach <SEP> Abb.
<SEP> 3 <SEP> mit.
<tb> Wasser <SEP> als <SEP> Arbeitsmittel <SEP> - <SEP> 8,6 <SEP> 8,9
<tb> mit <SEP> Monofluortriehlormethan <SEP> als
<tb> Arbeitsmittel <SEP> - <SEP> 11,5 <SEP> 11,6 Aus den Zahlen ersieht man das beträchtliche Anwachsen der Leistungsziffer und. die deren Kehrwert proportionale Verringerung der für die Verdichtung erforderlichen Energie.
Der Grund für das Anwachsen der Lei stungsziffer bei der Variante nach Abb. 2 liegt darin, dass die Verdichtung nur teilweise in dampfförmigem Zustand vorgenommen wird, während ein Rest in flüssigem Zustand durch den Wärmeaustauscher W1 hindurch auf höheren Druck gebracht, wird. Dadurch kommt der geringere Energieaufwand durch Förderung in flüssigem Zustand gegenüber der Verdichtung in dampfförmigem Zustand zur Wirkung.
Bei der Variante nach Abb.3 wird der geringere Energieaufwand dadurch erzielt, dass die Wärme nicht nur bei der niedrigsten Temperatur von 5 , sondern bei einer oder einigen höheren Temperaturwerten, die um eine oder einige Stufen höher liegen, zuge führt wird.
Bei beiden Beispielen nach Abb. 2 und 3 verarbeitet bei beispielsweise zweistufiger Ver dichtung die zweite Stufe, ähnlich wie dies schon bei der Variante nach Abb. 1 erwähnt wurde, wesentlich grössere Dampfmengen als bei dem bisher üblichen Kreisprozess mit einem Arbeitsmittel, wenn man für die erste Stufe in allen Fällen dieselbe Ansaugleistung zugrunde legt.
Will man die Wärme der Umgebung und gleichzeitig auch diejenige einer Flüssigkeit ausnutzen, deren Temperatur noch genügend weit über der Temperatur der Umgebung liegt, so kann dies nach der in Abb.4 dar gestellten Variante geschehen. Das mit bei spielsweise 40 aus dem Wärmeaustauscher W5 austretende, verflüssigte Arbeitsmittel wird demgemäss in den Entspannungsventilen E1 bzw. E2 bzw.
E3 auf 30 bzw. 20 bzw. 10 entspannt, wobei das mit 40 aus einem Sam- melbehälter 8 zufliessende Wasser in dem Wärmeaustauscher W1 auf 35 , in W2 auf 30 und in W3 auf 20 abgekühlt wird und dabei jeweils zu der durch die Entspannung her vorgerufenen Verdampfung eine weitere Ver dampfung durch Wärmezufuhr erzielt. Der Rest des flüssigen Arbeitsmittels wird im Ventil E4 auf 0 entspannt und in einem Wärmeaustauscher W4 durch Abkühlung von Flusswasser beispielsweise von 8 auf 4 völlig verdampft. 'Die Vorgänge entsprechen im übrigen den zur Abb. 3 beschriebenen.
Das Wasser verlässt den Wärmeaustau- scher W3 mit 20 . Um auch dessen Wärme bis 10 oder weniger auszunützen, ist es not wendig, zwischen den Wärmeaustauschern W3 und W4 einen weiteren Wärmeaustauscher (nicht gezeigt) einzuschalten, in dem sich das Wasser von 20 auf 10 oder weniger abkühlt und dabei einen entsprechenden Anteil des Arbeitsmittels nach seiner Entspannung im Ventil E4 verdampft.
Der W ärmeaustauscher W4 hat dann nur den jetzt noch in flüssigem Zustand befindlichen Rest des Arbeitsmittels in den dampfförmigen Zustand überzuführen. Die Grösse des Wärmeaustauschers W4 wird also durch Anwendung des zusätzlichen Wär- meaustauschers verringert.
Natürlich beeinflusst die Temperatur der Flüssigkeit, mit der sie für eine Ausnützung zur Verfügung steht, und die Endtemperatur, auf die man sie abzukühlen beabsichtigt, sowie die Temperatur, mit der die Nutzwärme be nötigt wird, in. ihrem gegenseitigen Verhältnis die Ausbeute der unter dem Vorstehenden an gegebenen Varianten.
Man kann die in den einzelnen Entspannungsstufen und Wärme- austauschern erzielten Temperatursenkungen variieren, wobei man bestrebt ist, die Tempe- raturwerte zu finden, bei denen der Energie bedarf am geringsten ist.
Dann kann es aber auch notwendig oder vorteilhaft sein, bei einer mehrstufigen Entspannung des Arbeitsmittels den Wärmeaustauscher W1 bei den Varianten nach Abb. 3 und 4 wegfallen zu lassen und nur.
die übrigen vorzusehen, wenn die Tempe ratur der wärmeabgebenden Flüssigkeit nied riger ist aJs die Temperatur der Nutzungs- wärme oder aber die Wärmeaustauscher 41'1 und allenfalls W2 besonders gross vorzusehen und unter Umständen den Wärmeaustauscher W3 entfallen zu lassen, wenn die Temperatur der Flüssigkeit ebenso hoch oder höher ist als die Temperatur der Nutzungswärme.
Gegebenenfalls kann der Kompressor ein oder mehrere Male hinter einer entsprechen den Stufe angezapft und eine Dampfmenge oder Dampfmengen mit zwischen beispiels- weise 10 und 40 liegenden Temperaturen ent nommen werden, um Wärmemengen mit nied rigerer Temperatur als 40 zur Verfügung haben.
Alle Beispiele weisen den unter Umstän den ausschlaggebenden Vorteil auf, dass sie die ihnen zugeführte warme Flüssigkeit mit einer für Kühlzwecke erneut zur Verfügung stehenden, niedrigeren Temperatur zurück liefern und so dort besonders am Platze sind, wo die Beschaffung des erforderlichen Kühl wassers Schwierigkeiten bereitet oder wo die gekühlte Flüssigkeit für irgendwelche andern Kühlzwecke gebraucht wird.
Statt der isenthalpischen Entspannung kann auch eine energieabgebende adiabatische oder polytropische Entspannung der wärme abgebenden Flüssigkeit oder des Arbeitsmit tels vorgesehen werden.
Bei der Kompression der Dämpfe entsteht je nach dem Druckverhältnis, das die betref fenden Stufen des Kompressors zu überwin- clen haben, eine grössere oder kleinere Über hitzung des Dampfes, die durch Kühlung oder Flüssigkeitseinspritzung in die Druckleitun- gen auf den zweckdienlichen Wert von höch stens 20 über der entsprechenden Sättigungs temperatur gesenkt werden kann. Im letzten Fall erhöht die eingespritzte Flüssigkeits menge, die ohne weiteres aus dem Kondensat von beispielsweise W2 (Abb. 2) gedeckt wer den kann, die geförderte Dampfmenge und da mit die Leistungsziffer.
Bei der Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen des Verfahrens ist von dieser Überhitzung abge sehen und zur Wahrung der Übersicht jeweils nur von der Temperatur - gemeint ist die Sät tigungstemperatur, die dem jeweiligenDampf- druck zugeordnet ist - gesprochen.
Das höhere Temperaturniveau der in Dämpfen und Brüden enthaltenen Wärme wird mittels der Wärmepumpe normalerweise durch unmittelbare Verdichtung erreicht. Falls jedoch ungünstige Eigenschaften dieser Dämpfe und Brüden eine unmittelbare Ver wendung erschweren oder unmöglich machen, so erfolgt die Ausnützung ihrer Wärme nach den in Verbindungen mit den Abb.2 bis 4 beschriebenen Ausführungsformen, wobei an die Stelle der Abkühlung einer Flüssigkeit und damit der Wärmezufuhr an das Arbeits mittel die Kondensation der Dämpfe und Brüden in den Wärmeaustauschern tritt.
Da durch besteht die Möglichkeit, die Vorteile der Varianten nach Abb. 2 bis 4 und den da mit erzielten geringeren Energieverbrauch auch für die Hebung des Temperaturniveaus von Dämpfen und Brüden auszunützen. Selbst verständlich gilt auch hierfür, dass man einen oder einige der Wärmeaustauscher, je nach dem ob Dämpfe öder Brüden von einer oder verschiedenartigen Spannungen zur Verfü gung stehen oder ob deren Menge für die Be- heizung aller Wärmeaustäuscher ausreicht, wegfallen lassen kann.
Bei dem in Verbindung mit Abb.4 be schriebenen Beispiel kann an die Stelle der Wärmezufuhr aus der Umgebung oder aus Flüssigkeiten, die sich dabei abkühlen, Wärme entziehung aus einem zu kühlenden Gut tre ten. Es kann aber auch die erwähnte Wärme zufuhr beibehalten und zusätzlich in derselben Kompressions- und Entspannungsstufe und bzw. oder in vor- oder nachgeschalteten Stu fen die Wärmeentziehung aus einem zu küh lenden Gut vorgenommen werden.
Method for operating a heat pump. The present invention relates to a method for operating a heat pump with gradual relaxation of a work by means of lind suction of vapors generated in the relaxation stages through compressor stages operating under the appropriate suction pressure, with the part of the work remaining liquid during a partial relaxation by means of separating and each of the following Expansion stage is supplied, and wherein heat extracted from a heat source is supplied to the liquid portion of the working medium in the last expansion stage.
The method according to the invention is characterized in that partial amounts of heat given off by a heat source are also introduced into upstream expansion stages for the purpose of additional step-by-step evaporation of the work medium in the expansion stages, except in the last expansion stage.
Embodiments of the method who he explained with reference to the accompanying drawing, in which Figs. 1 to 4 show different variants of a schematic diagram of a heat pump.
Fig.1 shows a first embodiment, where the heat-emitting medium is water, which is also the working medium of the heat pump. Water at 40 ° C. is available in a collecting container 1. From here it flows to an expansion valve El, in which its temperature is reduced to 30 by expansion. The amount of steam produced by this expansion is sucked in via a line 2 from an associated stage of a compressor K and compressed there. The rest of the water flows to a second relaxation valve E2 and then to a third relaxation valve E3, the process described being repeated in each case, d. H.
the water is brought from 30 to 20 or that from 20 to 10 by relaxation, while the resulting steam is again sucked in from correspondingly lower stages of the compressor K and compressed. In the case of three-stage expansion and three-stage compression, the first stage of the compressor K sucks in the steam obtained during the last expansion and compresses it.
In the second or a subsequent stage of the compressor, the steam from the second expansion stage is added and in the third or a later stage that from the first expansion stage is added, so that that stage of the compressor is now the sum of that in the last two expansion stages has to compress the resulting steam and this level is the sum of the steam generated in all three levels.
If the compression is sufficient up to 40, the sum of the steam obtained is available at the pressure corresponding to this saturation temperature and is discharged through line 3. Is a higher temperature or a higher pressure If necessary, the same amount of steam must be compressed further to this higher pressure. The rest of the water flows off through line 4 at a temperature of 10.
In the manner described, heat emitted from the heat source is introduced for the purpose of additional gradual evaporation of working fluid - in this case the working fluid and heat-emitting liquid are identical - except in the last Ent voltage stage, also introduced into upstream Ent voltage stages. However, if, because of the unfavorable properties of the heat-emitting liquid, which make direct use difficult or impossible, the indirect method of working using work equipment such as those used in refrigeration technology, or water, can be a different one Use embodiment of the invention for this purpose.
This is shown schematically in Fig. 2, with water again being selected as the heat-emitting liquid. The water flows from a collecting tank 5 at a temperature of 40 to a heat exchanger W1, in which it cools down to 10, while at the same time a partial flow of a working medium in the heat exchanger W is cooled to 0 by the expansion valve E3 and compressed by a pump P is heated from 0 to 30 in a liquid state. This partial flow of the working medium flows through the expansion valve E1 'to a separator 6, to which another partial flow of the working medium is also fed.
This partial flow flows in from a heat exchanger W2 and is expanded in the expansion valve E1, its temperature being reduced to 20. Here, a part of the liquid working medium evaporates, which is sucked in by a stage of a compressor K working under the corresponding suction pressure. The following is exactly what was said about Figure 1 above.
The steam quantities generated in the expansion stages are each sucked in by the corresponding stage of the compressor, compressed and jointly fed to the heat exchanger W2 and deposited there. The heat released in the process evaporates a corresponding amount of water. The steam generated in this way is then available for further use, for example 40, and can be taken from the evaporator through line 7. In the embodiment described last, the non-evaporated remainder of the working medium is heated by externally supplied heat after the last relaxation stage and then fed back to the first expander by pump pressure.
This hot amount of liquid increases the amount of liquid already in circulation, is relaxed together with it, thereby delivering additional amounts of steam, so that in this case too, partial amounts of heat that are given off by the heat source (liquid of 40), except in the last expansion stage, also in the preceding one Relaxation stages are introduced. Instead of evaporating water, the heat of condensation from work can also be used to heat gases, vapors, liquids or solids.
In the indirect way of working, i.e. H. That is, using a working medium that is independent of the heat emitted by the medium; the variant described below aims to achieve similar energy yields as the previous one. This variant differs from the variant described initially in that a heat exchanger is not assigned to a single heat exchanger only after the last relaxation stage, but to each relaxation stage.
Fig. 3 shows such an embodiment, where water is used as the heat-emitting liquid as in turn. This flows from a collecting tank 7 with a temperature of 40 to a heat exchanger WI by cooling down to 30, while the working medium exiting from a heat exchanger W4 in the liquid state with 40 after its expansion in an expansion valve E1, which already be a small evaporation acts,
in the heat exchanger WI undergoes additional evaporation as a result of the supply of heat. The same process is repeated twice, whereby the water cools from 30 to 20 or from 20 to 10 and flows away at this temperature, while the work equipment relaxed to 25 in the second relaxation level to 12 and in the third relaxation level to 0 is relaxed.
The amounts of heat, water and working fluid are matched to one another in such a way that the expansion in the third expansion stage and the supply of heat in W3 completely evaporate the still liquid part of the working fluid. The first stage of the compressor sucks in the amount of steam produced during the third expansion, one of the following stages this and the one produced during the second expansion, a later stage finally the amounts of steam produced during the third, second and first expansion.
This stage or at a higher pressure ratio one or a few more Stu fen then press the vaporous working medium to the heat exchanger W4, in which it is precipitated while releasing its heat of condensation to water to be evaporated or heated. In the case of evaporation of water, its steam is then available at 40. When comparing the exemplary embodiments described with the previous ones, one must assume that the heat is to be transferred at a temperature of 5 in the evaporating medium, if, for example, one assumes the cooling of a liquid from 40 to 10. It should be assumed throughout that the useful steam should have a saturation temperature of 40.
This in turn assumes that when using a working medium, it must be compressed to 45 so that it can generate a useful steam of 40 when it condenses.
According to the previous methods, the vapors of the working medium generated in the evaporator at 5 must be compressed to 45 in, for example, one, two or three stages. The comparison process is based on a process with low subcooling, throttling and adiabatic compression of saturated dry sucked in vapors and only the performance figure of the theoretical process is determined and specified.
The performance figure for compression is in
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1 <SEP> 2 <SEP> 3 <SEP> levels
<tb> after <SEP> the <SEP> previous <SEP> procedure <SEP> with
<tb> Water <SEP> as <SEP> working medium <SEP> 6.6 <SEP> 7.3 <SEP> 8.0
<tb> with <SEP> monofluorotrichloromethane <SEP> as
<tb> Work equipment <SEP> 7.4 <SEP> 7.7 <SEP> 7.8
<tb> for <SEP> the <SEP> example <SEP> according to <SEP> Fig.1 <SEP> under <SEP> use <SEP> of <SEP> water <SEP> for <SEP> the <SEP> Work equipment <SEP> 9.1 <SEP> 12.9 <SEP> 14.5
<tb> for <SEP> the <SEP> example <SEP> after <SEP> Fig. <SEP> 2 <SEP> with
<tb> Water <SEP> as <SEP> working medium <SEP> - <SEP> 8.6 <SEP> 8.9
<tb> with <SEP> monofluorotrichloromethane <SEP> as
<tb> Work equipment <SEP> - <SEP> 9.1 <SEP> 9.2
<tb> for <SEP> the <SEP> example <SEP> according to <SEP> Fig.
<SEP> 3 <SEP> with.
<tb> Water <SEP> as <SEP> working medium <SEP> - <SEP> 8.6 <SEP> 8.9
<tb> with <SEP> monofluorotriehlomethane <SEP> as
<tb> Work equipment <SEP> - <SEP> 11.5 <SEP> 11.6 The figures show the considerable increase in the performance figure and. the reciprocal proportional reduction in the energy required for compression.
The reason for the increase in the performance figure in the variant according to Fig. 2 is that the compression is only partially carried out in the vapor state, while a remainder in the liquid state is brought to a higher pressure through the heat exchanger W1. As a result, the lower energy consumption due to conveyance in the liquid state compared to compression in the vaporous state comes into effect.
In the variant according to Fig. 3, the lower energy consumption is achieved by the fact that the heat is supplied not only at the lowest temperature of 5, but at one or several higher temperature values that are one or a few levels higher.
In both examples according to Figs. 2 and 3, with two-stage compression, for example, the second stage, similar to the one already mentioned in the variant according to Fig. 1, processes significantly larger amounts of steam than in the previously common cycle with one working medium, if one for the first stage is based on the same suction performance in all cases.
If you want to use the warmth of the environment and, at the same time, that of a liquid whose temperature is still sufficiently far above the temperature of the environment, this can be done according to the variant shown in Fig. The liquefied working medium leaving the heat exchanger W5 with, for example 40, is accordingly fed into the expansion valves E1 or E2 or
E3 relaxes to 30 or 20 or 10, the water flowing in at 40 from a collecting container 8 being cooled in the heat exchanger W1 to 35, in W2 to 30 and in W3 to 20, and in each case to that caused by the relaxation precalled evaporation, further evaporation is achieved by adding heat. The rest of the liquid working medium is expanded to 0 in valve E4 and completely evaporated in a heat exchanger W4 by cooling river water, for example from 8 to 4. Otherwise, the processes correspond to those described for FIG.
The water leaves the heat exchanger W3 at 20. In order to use its heat up to 10 or less, it is necessary to connect a further heat exchanger (not shown) between the heat exchangers W3 and W4, in which the water cools from 20 to 10 or less and a corresponding proportion of the working medium is added its expansion in valve E4 evaporates.
The heat exchanger W4 then only has to convert the remainder of the working medium, which is still in the liquid state, into the vaporous state. The size of the heat exchanger W4 is therefore reduced by using the additional heat exchanger.
Of course, the temperature of the liquid at which it is available for use and the final temperature to which it is intended to be cooled, as well as the temperature at which the useful heat is required, in their mutual relationship, affects the yield of the under Above given variants.
The temperature reductions achieved in the individual expansion stages and heat exchangers can be varied, with the aim being to find the temperature values at which the energy requirement is lowest.
Then, however, it may also be necessary or advantageous, in the case of a multi-stage expansion of the working medium, to omit the heat exchanger W1 in the variants according to FIGS. 3 and 4 and only.
the rest to be provided if the temperature of the heat-emitting liquid is lower than the temperature of the useful heat or the heat exchangers 41'1 and possibly W2 should be provided particularly large and, under certain circumstances, the heat exchanger W3 should be omitted if the temperature of the liquid is likewise is high or higher than the temperature of the useful heat.
If necessary, the compressor can be tapped one or more times behind a corresponding stage and a quantity of steam or quantities of steam with temperatures between, for example, 10 and 40 can be taken in order to have heat quantities with a temperature lower than 40 available.
All examples have the decisive advantage under certain circumstances that they return the warm liquid supplied to them at a lower temperature that is again available for cooling purposes and are therefore particularly in place where the procurement of the required cooling water is difficult or where the cooled liquid is used for any other cooling purposes.
Instead of isenthalpic relaxation, energy-emitting adiabatic or polytropic relaxation of the heat-emitting liquid or of the working means can also be provided.
During the compression of the vapors, depending on the pressure ratio that the relevant stages of the compressor have to overcome, greater or lesser overheating of the vapor occurs, which by cooling or liquid injection into the pressure lines to the most appropriate value 20 can be lowered above the corresponding saturation temperature. In the latter case, the amount of liquid injected, which can easily be covered by the condensate from W2 (Fig. 2), for example, increases the amount of steam delivered and therefore the coefficient of performance.
In the description of the various embodiments of the method, this overheating is disregarded and, in order to maintain clarity, only the temperature - meaning the saturation temperature that is assigned to the respective steam pressure - is spoken of.
The higher temperature level of the heat contained in vapors and vapors is normally achieved by direct compression using the heat pump. If, however, unfavorable properties of these vapors and vapors make their immediate use difficult or impossible, their heat is exploited according to the embodiments described in connection with Figures 2 to 4, with a liquid instead of cooling and thus the supply of heat the working medium, the condensation of vapors and vapors occurs in the heat exchangers.
As a result, it is possible to use the advantages of the variants according to Fig. 2 to 4 and the lower energy consumption achieved therewith to raise the temperature level of vapors and vapors. It goes without saying that one or some of the heat exchangers can be omitted, depending on whether vapors or vapors of one or different voltages are available or whether their quantity is sufficient to heat all the heat exchangers.
In the example described in connection with Fig. 4, the heat input from the environment or from liquids that cool down can be replaced by heat extraction from an item to be cooled. However, the mentioned heat input can also be retained and additionally in the same compression and relaxation stage and / or in upstream or downstream stages the extraction of heat from a good to be cooled.