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Wärmepumpe Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe, bei der, unter
Verwendung eines periodisch verdampfenden und wieder kondensierenden Dampfes, die
Wärme aus einem Wärmeträger tieferer Temperatur durch Leistung mechanischer Arbeit
auf das Niveau eines Wärmeträgers höherer Temperatur gehoben und in diesen gleichsam
eingepumpt wird und bei der außerdem die Kraftmaschine für den Antrieb der Wärmepumpe
mit dieser selbst so zusammengeschlossen ist, daß beide den gleichen Dampf als umlaufendes
Arbeitsmittel benutzen.
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Der thermische Wirkungsgrad einer solchen Wärmepumpe ist, wenn der
Wärmeträger tieferer Temperatur unentgeltlich zur Verfügung steht, z. B. als Wasser
eines Flusses, eines Sees, als Meerwasser oder als Außenluft, stets günstiger als
die direkte Heizung. Die Leistungsziffer der idealen verlustlosen Maschine beträgt
in diesem Falle nach Carnot T1/(T1-T2), wobei T1 die Temperatur des Wärmeträgers
mit höherer Temperatur und T2 diejenige des Wärmeträgers mit tieferer Temperatur
ist. Betrachtet man als aufgewendete Energie bloß die eingebrachte Arbeitsleistung
und nicht auch die Wärmezufuhr aus der Luft oder aus dem Wasser, so ist dann, auf
die Arbeitsleistung allein bezogen, der Wirkungsgrad einer solchen Wärmepumpe immer
über 100 °/o, wenn die gesamte abgeführte Wärme nutzbar gemacht wird.
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Solche Wärmepumpen sind aber bis heute, von Ausnahmefällen abgesehen,
dennoch meist nicht wirtschaftlich. Nicht nur wegen der Höhe der Amortisation, die
ja, wenn eine ganze Maschinenanlage abzuschreiben ist, natürlich höher ist, als
wenn bloß ein Ofen an sich amortisiert werden muß. Auch darum lohnt noch der Betrieb
einer Wärmepumpe meist nicht, weil für den Antrieb eines Kompressors der Wärmepumpe
meist hochwertige Energie, nämlich elektrischer Strom, benutzt wird, dessen Wärmewert
etwa 10mal teurer ist als der der Kohle, die ja für die direkte Heizung verwendet
werden kann.
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Bei Absorptionsmaschinen, die im Gegensatz zu den Kompressionsmaschinen
zwar billigere Heizstoffe, als der elektrische Strom ist, für den Betrieb benutzen
können, wird die Rentabilität gegenüber der direkten Heizung wieder dadurch in Frage
gestellt, daß diese einen bedeutend schlechteren Wirkungsgrad haben als die Wärmepumpen
mit Verdichtern.
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Man hat darum schon Wärmepumpen geschaffen, bei denen die Antriebskraftmaschine
auch. eine Art Dampfmaschine ist, und zwar ist vorzugsweise hierbei der im Kreisprozeß
der Kraftmaschine umlaufende Dampf der gleiche wie der im Kreisprozeß der eigentlichen
Wärmepumpe oder der Kältemaschine, was gleichbedeutend ist. Es ergibt sich hierbei
auch der weitere Vorteil, daß der Kreisprozeß der Wärmepumpe und der der Antriebsmaschine
auch den Kondensator gemeinsam haben können. Man kann dann die umlaufenden Dampfmengen
für Kraftmaschine und Arbeitsmaschine so aufeinander abstimmen, daß von außen her
praktisch keine Arbeit zugeführt und nach außen hin auch keine bemerkenswerte Arbeit
abgeführt wird. Auch diese bekannten Wärmepumpen, die die Antriebsmaschinen mit
dem gleichen Dampf einschließen, erreichen aber den erstrebenswerten Wirkungsgrad,
durch den die Wärmepumpe der direkten Heizung weit überlegen wird, nicht. Der Grund
hierfür ist darin zu suchen, daß zur Erzeugung des Dampfes für die Kraftmaschine
ein Dampfkessel dient, in dem das Kondensat bei höherer Temperatur wieder verdampft
wird, um darauf nach oder auch ohne Überhitzung die Kraftmaschine durch mehr oder
weniger adiabatische Expansion des Dampfes zu betreiben.
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Der Dampfkessel muß ja stets bei einer Temperatur arbeiten, bei der
aus der Flüssigkeit Sattdampf gebildet werden kann. Diese Temperatur muß also, auf
den jeweiligen Dampf bezogen, sei dieser nun Wasserdampf oder CO,-Dampf oder N H3
Dampf oder ein Freon usw., stets tiefer liegen, als die kritische Temperatur für
dies Arbeitsmittel ist. Diese Temperatur ist aber immer viel zu niedrig, um einen
guten Wirkungsgrad der Antriebsmaschine zu erreichen. Unsere Materialien für Maschinenelemente
der Kraftmaschine vertragen ja bei heutigem Stande der Technik sehr gut Temperatur
bis etwa 600° C, und diese Maximaltemperatur könnte mit fortschreitender Zeit immer
weiter erhöht werden. Sämtliche bekannten Arbeitsmittel für Wärmepumpen haben aber
einen kritischen Punkt, der viel tiefer liegt. Wollte man dagegen Stoffe mit höherem
kritischem Punkt verwenden, z. B. Quecksilber, so ist deren spez. Volumen bei der
tiefen Temperatur des Verdampfers der Wärmepumpe so enorm groß, daß eine technische
Verwendung solcher Stoffe ausgeschlossen erscheint.
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Die an den Dampfkessel anschließende annähernd adiäbatische Expansion,
wie sie bei den bekannten Wärmepumpen vorgeschlagen worden ist, ist aber wieder
ungünstig, denn bei Benutzung von Adiabaten zur
Expansion und nicht
auch gleichzeitiger Verwendung von Adiabaten zur Verdichtung wird jede Annäherung
an den optimalen Wirkungsgrad ausgeschlossen, selbst wenn man für die Kraftmaschine
eine Temperaturspitze von hoher Temperatur, also z. B. 600° C, wählt.
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Die Wärmepumpe nach der Erfindung benutzt ein gemeinsames Medium für
die aufeinander abgestimmte Kraft und Arbeitsmaschine und auch den gemeinsamen Kondensator
für diese, was beides bereits bekannt ist, sie führt aber, was neu ist, alle drei
Zustandsänderungen, nämlich die Wärmezufuhr aus dem Wärmeträger, der abzukühlen
ist, z. B. aus der Luft, die Wärmeabfuhr an den Wärmeträger, der anzuheizen ist,
z. B. das Heißwasser der Zentralheizung, und auch die Wärmezufuhr an die expandierenden
Dämpfe der Kraftmaschine, annähernd isotherm durch. Dabei liegt die Isotherme der
Kraftmaschine hoch im überkritischen Gebiet, und sie wird dadurch erreicht, daß
dem Dampf hier eine Flüssigkeit, z. B. flüssiges Blei oder ein geschmolzenes Salz
usw., als Wärmeträger zugesellt wird. Weiterhin werden dann alle Temperaturunterschiede
durch Wärmetauscher überbrückt. Die Expansionsmaschine kann dann eine Kolbenmaschine
oder eine Turbine sein, z. B. mit einem Bleibad als Wärmespender bei annähernd gleicher
Maximaltemperatur. Man kann dann mit Arbeitsmedien arbeiten, deren kritische Temperatur
ganz allgemein über 0 und unter 500° C liegt, wie das der Fall ist bei Wasser, bei
NH3, bei S02, bei C02, bei einem der bekannten Freone und bei vielen anderen Stoffen.
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Für die verlustlose Wärmepumpe der Erfindung gilt dann die Formel
Hierin bedeutet Etha den Wirkungsgrad, jedoch nur auf die bei hoher Temperatur zugeführte
Wärme bezogen, T1 die tiefste Temperatur, also die des Verdampfers, T2 die mittlere
Temperatur, also die des Kondensators, und T3 die höchste Temperatur, also die der
Isotherme der Kraftmaschine, alle in Grad Kelvin eingesetzt.
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Beträgt dann z. B. die Temperatur der Luft, der die Wärme entnommen
werden soll, - 20°, die des Wassers, das angeheizt werden soll, -E- 50° und die
der Isotherme der Kraftmaschine 550° C, so ist T1 = 253° K, T2 = 323° K, T3 = 823°K
und somit
Die Heizstoffersparnis gegenüber der direkten Heizung ist also recht bedeutend,
auch wenn die, theoretischen Werte nicht voll erreicht werden können. Da für die
Heizung billigster Heizstoff verwendet werden kann, fällt auch der Nachteil der
meisten Wärmepumpen, nämlich die Verwendung des teuren Stromes, fort. In den meisten
Fällen wird es aber dennoch vorteilhaft sein, zusätzlich auch noch einen kleinen
Elektromotor zu verwenden, der dann die Aufgabe hat, die Einhaltung der vorbestimmten
Drehzahl für die auf gleicher Welle liegende Maschine zu gewährleisten und kleine
Ungenauigkeiten in der Abstimmung der Kraftmaschine auf die Arbeitsmaschine auszugleichen.
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Zur Erläuterung an einem Beispiel dient die schematische Zeichnung.
Fig.1 zeigt den vorgeschlagenen Kreisprozeß im bekannten T-S-Diagramm, wobei als
Arbeitsmittel SO, dient. Der Einfachheit halber sind hierin die tatsächlichen
logarithmischen Linien der Isobaren als Gerade dargestellt. Fig.2 gibt das Schaltschema
der maschinellen Anlage zur Durchführung dieses Prozesses.
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Die linke Grenzkurve a (Flüssigkeit gegen Dampf) trifft die rechte
Grenzkurve b (Naßdampf gegen überhitzten Dampf) im kritischen Punkt Kr. Im Verdampfer
A erfolgt bei z. B. - 20° C die Verdampfung durch Zufuhr von Wärme aus der Luft
bei 0,65 ata entlang der Linie 1 bis 2. Im Wärmetauscher B wird der vom Verdichter
C angesaugte Dampf isobar angewärmt entlang der Linie 2 nach 3. Im vielstufigen
gekühlten Verdichter C erfolgt die annähernd isotherme Kompression entlang der Linie
3 nach 4. Von hier gelangt der Dampf von nunmehr z. B. 8,6 ata und + 50° C in den
Kondensator D, wo er kondensiert, entlang der Linie 4 nach 5. Nun läuft er entlang
der Linie 5 nach 6 durch den Wärmetauscher B dem Drosselventil E zu, entspannt hier
nach der Linie 6 nach 1, worauf sich der Vorgang wiederholt: Der Kraftbedarf dieser
Anlage ist also durch die Fläche'"'liFi. 1 gegeben, und zwar durch die Fläche 1-2-3-4-5-6-1.
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Im Kondensator D wird nun ein Teil der Flüssigkeit durch die Pumpe
F abgezapft und auf z. B. 81 ata komprimiert entlang der Linie 5 nach 7 durch den
Wärmetauscher G. Diese Linie ist in Wirklichkeit nicht eine Gerade, sondern schmiegt
sich als Kurve erst an den kritischen Punkt Kr näher an, um dann als logarithmische
Linie nach oben zu laufen. Sie ist aber schematisch zur Erleichterung der Übersicht
als Gerade eingezeichnet. Durch das vom Ofen L geheizte Bleibad K tritt der hochüberhitzte
Dampf von z. B. 500° C zur Turbine H und entspannt hier, immer wieder aufgeheizt
oder gleich heiß gehalten entlang der Linie 7 nach 8, also annähernd isotherm. Die
Turbine H befindet sich im innigen Wärmeaustausch mit dem Bleibad K. Von hier strömt
der nunmehr entspannte, aber heiße Dampf entlang der Linie 8 nach 4 (wieder als
Gerade gezeichnet) durch den Wärmetauscher G wieder dem Kondensator D zu, worauf
sich der Vorgang wiederholt. Wird nun die Fläche 5-7-8-4-5 gleich der Fläche 1-2-3-4-5-6-1
gehalten, so benötigt diese Maschine von außen her keine Energie. Der DrehstrommotorI
dient nur zum Anwerfen der Anlage, zur Konstanthaltung der Drehzahl und zur Spitzendeckung.
Bei zu starker Heizung arbeitet er als Generator und liefert Strom in das Netz.
Da die Fläche der Kraftmaschine 4-5-7-8-4 größer ist als die Fläche der Arbeitsmaschine
1-2-3-4-5-6-1, folgt, daß die Kreislaufmenge der Kraftmaschine kleiner sein kann
als die Kreislaufmenge der Arbeitsmaschine. Eingebracht wird die Wärme aus dem Brennstoff
nur entlang der Linie 7 nach 8 und aus der Luft entlang der Linie 1 nach 2. Ausgebracht
wird die Wärme entlang der Linie 3 nach 5 vom Ärbeitsprozeß und entlang der Linie
4 nach 5 außerdem vom Kraftprozeß. Da die Wärmezufuhr und Abfuhr bei konstanten
Temperaturen erfolgt, würde die Formel für die Leistungsziffer gelten:
wenn T 1 die tiefste, T 2 die mittlere und T 3 die höchste
Temperatur in Grad K bezeichnet.
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Da die Linie 5 nach 7 aber tatsächlich nicht eine Gerade ist und auch
die Linie 2 nach 3 etwas steiler ist als die Linie 5 nach 6, wird die Leistungsziffer
etwas kleiner. Man könnte diesen Verlust durch weitere Überlagerungsprozesse ausgleichen,
doch ist das bei kleineren Wärmepumpen zu kompliziert.
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Es ist zweckmäßig, alle beweglichen Teile inklusive des Elektromotors
in ein luftdicht verschlossenes Gehäuse unterzubringen. Die Heizung des Ofens I_
ist dann nicht komplizierter als die Heizung eines normalen Ofens, und er unterscheidet
sich von solch einem nur durch die Verwendung eines Wärmeaustauschers zwischen Frischluft
und Abgas.
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Die beschriebene Anlage kann zur Heizung aller Art ferner für Trockenanlagen
für Destillationszwecke usw. verwendet werden. Wird das Gewicht nicht auf die abgeführte,
sondern auf die gehobene Wärme gelegt, so
kann die Anlage auch als
Kältemaschine bezeichnet werden.