DE10047829C2 - Wärmepumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe mit einem Verdampfer eines bei niedrigen Temperaturen siedenden Kältemittels, einem nachgeordneten Verdichter zum Ansaugen und Verdichten des Kältemittels und einem Verflüssiger zum Kondensieren des Kältemittels und zur gleichzeitigen Wärmeabgabe an ein Arbeitsmedium.

Bei bekannten Wärmepumpen dieser Bauart wird als Verdichter ein periodisch arbeitender Kolbenkompressor mit Ventilsteuerung eingesetzt, der von einem Elektro- oder Verbrennungsmotor angetrieben wird.

Gegenstand der US-A 1 361 190 ist ein Druck- und Saugapparat, der ein allseitig geschlossenes, teilweise mit einer Flüssigkeit gefülltes Gehäuse hat, in dem ein Saugrohr drehbar gelagert ist, über welches ein Medium von unten angesaugt werden kann. Das Saugrohr mündet in den oberen Bereich eines Drehtellers, dessen unterer Bereich einen Sammelraum für die Flüssigkeit hat, welche über eine mittige Sprialleitung aus dem Behälter nach oben gefördert wird. Innerhalb des Drehtellers findet eine Durchmischung der Flüssigkeit mit dem anzusaugenden Medium statt, wobei Flüssigkeit und Medium über voneinander getrennte Drosselkanäle, die von der Drehachse gleichbleibende Radialabstände haben, in sternförmig von dem Drehteller ausgehende Ausflußrohre strömen. Über den Einsatzzweck dieses Druck- und Saugapparates sind keine Angaben gemacht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmepumpe zur Verfügung zu stellen, bei der das Kältemittel kontinuierlich vom Verdampfer angesaugt und zusammen mit dem Arbeitsmedium in den Verflüssiger gefördert wird.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1. Dabei bilden der Verdichter und der Verflüssiger eine Baueinheit in Form des Behälters, der um die vertikale Achse rotiert, so daß auf die strömende Flüssigkeit kontinuierlich eine Zentrifugalkraft wirkt. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung ist nachstehend an Ausführungsbeispielen erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schemazeichnung zur Erläuterung der Wirkungs­ weise der Vorrichtung zum Ansaugen und Verdichten von Gasen im allgemeinen,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine in der Wärmepumpe verwendete Vorrichtung zum Ansaugen des gasförmigen Kältemittels,

Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung einer Wärmepumpe, bei der die Vorrichtung gemäß Fig. 2 eingesetzt ist,

Fig. 4 einen Querschnitt in der Ebene IV-IV der Fig. 3 und

Fig. 5 einen Querschnitt in der Ebene V-V der Fig. 3.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Behälter 10, der mit einer Flüssigkeit 12 ständig nachgefüllt wird. An eine mittige Öffnung 14 im Boden 16 des Behälters 10 schließt sich ein verhältnismäßig langes Ausflußrohr 18 an, in dem die unter dem Einfluß der Schwerkraft aus dem Behälter 10 fließende Flüssigkeit eine Flüssigkeitssäule bildet. Der Umgebungsdruck p₀ am unteren Ende des Ausflußrohres 18 entspricht dem Atmosphärendrcuk p₀ an der Flüssigkeitsoberfläche im Behälter 10.

Die Flüssigkeit im Behälter 10 übt infolge ihres Gewichtes einen nach unten gerichteten Druck aus, dem die Reaktion des Bodens 10 das Gleichgewicht hält und der sich als zusätzlicher Druck zu dem auf die Flüssigkeitsoberfläche wirkenden Druck p₀ addiert. Beim Ausfließen der Flüssigkeit durch die Öffnung 14 wandelt sich dieser zusätzliche Druck in den dynamischen Druck um, so daß der statische Druck in der durch die Öffnung 14 strömende Flüssigkeit den Wert p₀ hat.

Der Gesamtdruck, den die Flüssigkeitssäule im Ausflußrohr 18 infolge ihres Gewichtes nach unten ausübt, beschleunigt die Flüssigkeit beim Durchtritt durch die Öffnung 14 und erhöht die Geschwindigkeit der Flüssigkeitssäule. Dabei entsteht an der Öffnung 14 nach dem Reaktionsprinzip der Mechanik ein Widerstand zur Beschleunigung, so daß ein Gegendruck entsteht, der nach oben wirkt und den Zuwachs der Geschwindigkeit verhindert. Der entstandene Gegendruck und der von der Flüssigkeitssäule nach unten ausgeübte Druck wirken in entgegengesetzten Richtungen, wodurch auf die Flüssigkeit in der Flüssigkeitssäule eine auseinanderziehende Wirkung ausgeübt wird, die entgegengesetzt zur zusammendrückenden Wirkung des Umgebungsdruckes p₀ arbeitet. Dadurch ist der statische Druck p in der Flüssigkeitssäule kleiner als p₀.

Mit wachsendem Abstand von der Öffnung 14 nähert sich der Wert des Druckes p dem Wert p₀, bis er am unteren Ende des Ausflußrohres 18 den Wert p₀ erreicht.

Die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung baut auf dem soeben anhand der Fig. 1 beschriebenen Prinzip auf. Der Behälter 10, der ständig mit Flüssigkeit 12, z. B. Wasser, nachgefüllt wird, geht über eine konische Verengung 24 in das Ausflußrohr 18 über. In den Bereich der Verengung 24 ist ein Kegel 26 eingesetzt, der mit der Verengung 24 eine Durchströmöffnung 28 bildet.

Durch den Kegel 26 hindurch verläuft koaxial zum Ausflußrohr 18 ein Rohr 30, über welches Gas angesaugt und in das Ausflußrohr 18 geleitet wird.

Die Lage des Kegels 26 innerhalb der konisch ausgebildeten Verengung 24 kann eingestellt werden, so daß bei minimaler Durchflußmenge der Flüssigkeit die Flüssigkeitssäule in dem Ausflußrohr 18 aufrechterhalten wird.

Fig. 2 zeigt, daß die Durchströmöffnung 28 ein Ringspalt ist. Andere Formen für die Durchströmöffnung 28 sind möglich, beispielsweise in Form von Kanälen, die in den Kegel 28 eingearbeitet sind, wenn dieser mit seiner konischen Außenfläche an der konischen Verengung 24 anliegt.

Unter dem Einfluß der Schwerkraft strömt die Flüssigkeit 12 aus dem Behälter 10 über die Durchströmöffnung 28 in das Ausflußrohr 18, in dem sich eine nach unten bewegende Flüssigkeitssäule bildet. Dabei entsteht in der Flüssigkeitssäule in der bereits erläuterten Weise der Druck p, der kleiner als der Umgebungsdruck p₀ und am kleinsten im Bereich 21 des Überganges der Verengung 24 in das Ausflußrohr 18 ist und mit der Entfernung von der Verengung 24 zunimmt, bis er am unteren Ende des Ausflußrohre 18 den Wert p₀ annimmt.

Am Ausgang des Rohres 30 bildet die Flüssigkeit eine Flüssigkeitsoberfläche, die sich im Bereich mit dem Druck p befindet. Wenn der Druck p₁ im Rohr 30 größer als der Druck p ist, verformt sich die Flüssigkeitsoberfläche nach unten und bildet einen Gassack 20, der von der ihn umströmenden Flüssigkeit nach unten gezogen wird, bis eine Gasblase 22 abreißt, die von dem Flüssigkeitsstrom im Ausflußrohr 18 mitgerissen wird. Dieser Vorgang wiederholt sich zyklisch, wobei wesentlich ist, daß der Druck p₁ im Rohr 30 über längere Zeit kleiner als der Druck p₀ ist, so daß aus dem Rohr 30 Gas abgesaugt wird.

Die Fig. 3 bis 5 zeigen eine Wärmepumpe 32, bei der die Vorrichtung gemäß Fig. 2 verwendet ist.

Die Wärmepumpe 32 besteht aus einem allseitig geschlossenen, rotationssymmetrischen Gehäuse 34, in dem eine um eine vertikale Achse 36 rotierende Welle 38 gelagert ist. Fest mit dieser Welle 38 verbunden ist ein Behälter 10, von dessen Zylinderwand 40 vier gleichmäßig über den Umfang verteilte Ausflußrohre 18 (vgl. Fig. 4) ausgehen. In Fig. 4 ist die Drehrichtung ω des Behälters 10 angegeben, wodurch hier die im Beispiel der Fig. 2 wirkende Schwerkraft durch eine Zentrifugalkraft auf die Flüssigkeit 12 (Arbeitsmedium M) im Behälter 10 ersetzt wird. Die Ausflußrohre 18 haben gemäß Fig. 4 einen entgegen der Drehrichtung ω gekrümmten Verlauf, so daß beim Durchströmen der Flüssigkeit die Bahngeschwindigkeit unverändert bleibt und keine tangentiale Beschleunigung auf die Flüssigkeit wirkt.

Analog zum Beispiel der Fig. 2 geht der Behälter 10 über eine konische Verengung 24 in das jeweilige Ausflußrohr 18 über. In diese Verengung 24 ist ein Kegel 26 eingesetzt, durch den hindurch ein Rohr 30 zum Absaugen von Gas (Kältemittel K) verläuft. Jedem Ausflußrohr 18 ist ein radial ausgerichtetes Rohr 30 zugeordnet, so daß insgesamt vier sternförmig angeordnete Rohre 30 vorhanden sind, die von einem axial ausgerichteten Rohr 30' für das anzusaugende, gasförmige Kältemittel K vorgesehen sind. Das Rohr 30' ist fest mit dem um die Achse 36 rotierenden Behälter 10 verbunden.

In Fig. 4 ist angedeutet, daß in dem Behälter 10 zwischen den Verengungen 24, von denen die Ausflußrohre 18 ausgehen, radial verlaufende Führungswände 42 angebracht sind, welche die Flüssigkeit bei der Rotation mitnehmen und vermeiden, daß diese sich nicht mit dem Behälter 10 mitdreht.

Fig. 3 zeigt, daß das Gehäuse 34 gegenüber den Ausflußrohren 18 eine axial nach unten divergierende Leitwand 44 hat, welche das aus den Ausflußrohren 18 strömende Gemisch aus Kältemittel und Arbeitsmedium M in Richtung des eingezeichneten Pfeiles nach unten in Rückströmkanäle 46 umlenkt. Gemäß Fig. 5 haben diese Rückströmkanäle 46, die mit dem Boden 48 des Gehäuses 34 verbunden sind, einen von außen zum Zentrum in Drehrichtung ω des Behälters 10 gekrümmten Verlauf, wodurch die Rückführung des aus den Ausflußrohren 18 austretenden Gemisches in die radial nach innen weisende Öffnung 50 des Behälters 10 begünstigt wird.

Das über das zentrische Rohr 30 bei einem Druck p₁ angesaugte Kältemittel K ist in dem Arbeitsmedium M nicht lösbar. Bei der Rückströmung in den Behälter 10 stellt sich somit wegen der unterschiedlichen Dichte der beiden Medien eine Grenzschicht 52 ein, so daß das leichtere und damit radial innere Kältemittel K über eine nach oben gerichtete Leitung 54 einem Verdampfer 56 zugeführt werden kann. Hierzu steht von dem rotierenden Behälter 10 koaxial zu dessen Drehachse 36 ein Überlaufzylinder 58 für das verflüssigte Kältemittel K nach oben ab, dessen oberes Ende in einen im Gehäuse 34 angebrachten Sammelbehälter 60 führt. Dieser ist über die Leitung 54 mit dem Verdampfer 56 verbunden, in welchem das Kältemittel K durch die von außen zugeführte Wärmeenergie verdampft wird.

Das verdampfte und somit wieder gasförmige Kältemittel K wird durch die Zentrifugalkraft des rotierenden Behälters 10 in der erläuterten Weise abgesaugt und in die Ausflußrohre 18 geleitet, wo es von dem Arbeitsmedium M auf den Druck p₀ zusammengedrückt wird. Der rotierende Behälter 10 bildet mit seinen Ausflußrohren 18 in dem Gehäuse 34 eine Baueinheit, die gleichzeitig als Verdichter und Verflüssiger für die Wärmepumpe wirkt. Das beim Austritt aus den Ausflußrohren 18 in die Rückströmkanäle 46 fließende Medium hat sich durch die Zunahme des Druckes von p₁ auf p₀ erwärmt und gibt seine Wärmeenergie Q im wesentlichen über den Boden 48 des Gehäuses 34 nach außen ab. Bedingung hierfür ist, daß der Druck p₀ dem Sättigungsdruck des Kältemittels K entspricht, so daß sich dieses in den als Kondensator (Verflüssiger) wirkenden Ausflußrohren 18 verflüssigt.

Claims (10)

1. Wärmepumpe mit einem Verdampfer zum Verdampfen eines bei niedrigen Temperaturen siedenden Kältemittels, einem nachgeordneten Verdichter zum Ansaugen und Verdichten des Kältemittels und einem Verflüssiger zum Kondensieren des Kältemittels und zur gleichzeitigen Wärmeabgabe an ein Arbeitsmedium, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Ansaugen des Kältemittels vom Verdampfer (56) und zum Fördern des Kältemittels zusammen mit dem Arbeitsmedium in den Verflüssiger eine aus Verdichter und Verflüssiger bestehende Baueinheit sind, bei der in einem allseitig geschlossenen Gehäuse (34) ein um eine vertikale Achse (36) rotierender Behälter (10) für die Aufnahme des Kältemittels angeordnet ist, der an wenigstens einer Verengung (24) in ein Ausflußrohr (18) mündet, wobei im Bereich der Verengung (24) mittels eines Kegels (26) eine Durchströmöffnung (28) gebildet ist und das Rohr (30) für das anzusaugende Kältemittel innerhalb des Behälters (10) angeordnet ist und durch den Kegel (26) hindurch verläuft.

2. Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage des Kegels (26) innerhalb der konisch ausgebildeten Verengung (24) einstellbar ist.

3. Wärmepumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchströmöffnung (28) ein Ringspalt ist.

4. Wärmepumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchströmöffnung (28) aus in dem Kegel (26) ausgebildeten Kanälen besteht.

5. Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß von dem Behälter (10) mehrere Ausflußrohre (18) austreten, die einen entgegen der Drehrichtung (ω) gekrümmten Verlauf haben.

6. Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Verdampfer kommende, axial ausgerichtete Rohr (30') für das anzusaugende, gasförmige Kältemittel mit dem rotierenden Behälter (10) fest verbunden ist und in dem Behälter (10) sternförmig in radial ausgerichtete Rohre (30) übergeht, von denen jedes einem Ausflußrohr (18) zugeordnet ist.

7. Wärmepumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Behälter (10) zwischen den Mündungsstellen der radial ausgerichteten Rohre (30) in die Verengung (24), von denen die Ausflußrohre (18) ausgehen, radial verlaufende Führungswände (42) angebracht sind.

8. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (34) Rückströmkanäle (46) für die Rückführung des aus den Ausflußrohren (18) austretenden Gemisches aus Kältemittel und Arbeitsmedium in den radial nach innen offenen, zentrisch angeordneten Behälter (10) ausgebildet sind.

9. Wärmepumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückströmkanäle (46) von einer gegenüber den Ausflußrohren (18) axial nach unten divergierenden Leitwand (44) des Gehäuses (34) ausgehen und an dessen Boden (48) einen von außen zum Zentrum in Drehrichtung des Behälters (10) gekrümmten Verlauf haben.

10. Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß von dem Behälter (10) koaxial zu dessen Drehachse (36) ein Überlaufzylinder (58) für das verflüssigte Kältemittel (K) nach oben absteht, dessen oberes Ende in einen im Gehäuse (34) angebrachten Sammelbehälter (60) führt, welcher über eine Leitung (34) mit dem Verdampfer (56) verbunden ist.