DE102005054487A1

DE102005054487A1 - Verfahren zur Erwärmung dampfförmiger Arbeitsmittel

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Publication number: DE102005054487A1
Application number: DE200510054487
Authority: DE
Inventors: Michael Rannow; Erwin Dr. Oser
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-11-16
Filing date: 2005-11-16
Publication date: 2007-05-24

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Erwärmung dampfförmiger Arbeitsmittel mittels einer mechanischen Verdichtung. DOLLAR A Nach der Erfindung kann die Erwärmung günstig durch eine mechanische Verdichtung mit Verdichtersystemen, die im Schöpfraum entweder keine Betriebsflüssigkeit haben, beispielsweise Wälzkolbengebläse, oder bei denen die Betriebsflüssigkeit keine Schmier-, sondern allein eine Dichtfunktion erfüllt, beispielsweise Flüssigkeitsringpumpen, oder in Kombination solcher Verdichtersysteme erfolgen. Bei einer derartigen Ausführung können Arbeitsmittel verwendet werden, die große molare Verdampfungsenthalpien aufweisen, bereits im Niederdruckbereich große Temperatursprünge haben und hohe Betriebstemperaturen erlauben. Eine mit einer solchen Anordnung realisierte Kraft-Wärme-Maschine arbeitet deshalb mit einem günstigeren Wirkungsgrad als herkömmliche Systeme.

Description

Die Erwärmung dampfförmiger Arbeitsmittel erfolgt üblicherweise in Kraft-Wärme-Maschinen, in denen zunächst in einem Verdampfer durch Wärmeeintrag ein flüssiges Arbeitsmittel verdampft wird, der Dampf anschließend in einem Verdichter verdichtet und der so über die Sattdampftemperatur erhitzte Dampf in einem nachgeschalteten Kondensator durch Übertragung der auf das höhere Temperaturniveau gebrachten Wärme auf ein Kühlmedium kondensiert wird. Nach der Kondensation wird das Kondensat über ein Entspannungsventil auf den im Verdampfer herrschenden niedrigeren Druck entspannt, so dass bei der gegebenen Temperatur das Arbeitsmittel erneut verdampft werden kann.
Je nachdem auf welchem Temperaturniveau die Nutzenergie anfällt, bezeichnet man eine solche Kraft-Wärme-Maschine als "Kältemaschine", Nutzenergie ist dabei die auf niedrigem Temperaturniveau aus der Umgebung aufgenommene Wärme, oder "Wärmepumpe", Nutzenergie ist hier die bei der Kondensation auf höherem Temperaturniveau freigesetzte, Wärme.
Herkömmliche Kältemaschinen und Wärmepumpen verwenden nach dem Stand der Technik Kältemittel, wie fluorierte Kohlenwasserstoffe FKW, kurzkettige Kohlenwasserstoffe, wie Butan oder Propan, oder Ammoniak. In neueren Entwicklungen wird auch mit Wasserdampf oder Kohlendioxyd als umweltfreundlichen Arbeitsmitteln experimentiert.
Die herkömmlich vorherrschenden Verdichtersysteme, wie zum Beispiel Hubkolben-, Rollkolbenverdichter, müssen von einer Schmierflüssigkeit geschmiert werden, damit die thermisch belasteten, schnell bewegten Maschinenteile keinen Schaden nehmen. Ein wichtiges Problem bei der Verdichtung ist dabei die Gefahr, dass sich bei der Verdichtung Arbeitsmittel in der Schmierflüssigkeit löst, so dass die Schmierwirkung verloren geht. Der Verdichter wird so in kurzer Zeit zerstört.
Um derartige Vermischungen des Arbeitsmittels mit der Schmierflüssigkeit zu vermeiden, können nur solche Arbeitsmittel verwendet werden, deren Siedetemperatur so niedrig liegt, dass nach der Verdichtung kein Arbeitsmittel bereits in der Schmierflüssigkeit kondensiert und diese unbrauchbar macht. Diese Forderung bestimmt im Wesentlichen die Auswahl der oben genannten herkömmlichen Arbeitsmittel.
Bei den bekannten Auslegungen von Kältemaschinen und Wärmepumpen ist ein weiterer Nachteil, dass die verwendeten Verdichter vor Kondensatbildung im Verdichter "Flüssigkeitsschlägen" geschützt werden müssen, da dadurch große Druckschwankungen auftreten, die den Verdichter stark belasten. Im Hinblick darauf wird bei der Verdampfung der Arbeitsmitteldampf überhitzt. Dadurch muss bei der Verdichtung zum einen ein größerer Drucksprung überwunden, zum anderen ein größeres Volumen transportiert werden, beide Effekte führen zu einem schlechteren Wirkungsgrad des Prozesses.
Deshalb liegt ein entscheidender Nachteil der aus den genannten Gründen begrenzten Auswahl von Arbeitsmitteln in den ungünstigen Auswirkungen auf das Leistungsvermögen der Maschinen. Bei Kältemaschinen und Wärmepumpen wird üblicherweise der Kehrwert des Wirkungsgrades, die sog. Leistungsziffer oder Arbeitsziffer als Verhältnis von "Nutzenergie/mechanische Arbeit" benutzt, wobei die Definition der Nutzenergie in Abhängigkeit der Temperaturniveaus oben bereits erläutert wurde.

Das Ziel der Erfindung liegt nun darin, wesentliche der aus den erläuterten Zusammenhängen folgenden Nachteile zu überwinden. Dazu sollen erfindungsgemäß mechanische Verdichtersysteme zum Einsatz kommen, bei denen eine Gefährdung der Schmierwirkung durch Vermischungen mit Arbeitsmittel nicht möglich ist. Erfindungsgemäß wird dies durch zwei unterschiedliche Ansätze erreicht: zum einen wird ein Verdichtersystem realisiert, das vollständig ohne Schmiermittel im Schöpfvolumen arbeitet, zum anderen werden Verdichtersysteme verwendet, bei denen die Betriebsflüssigkeit nur eine Dicht-, aber keine Schmierfunktion wahrnimmt.

Zur Realisierung der erstgenannten Alternative wird erfindungsgemäß ein Wälzkolbengebläse zum Einsatz gebracht, bei dem durch eine gas- und flüssigkeitsdichte Abdichtung des Schöpfraums vom Getrieberaum das Schöpfvolumen schmiermittelfrei bleibt und ein Übertritt von Arbeitsmitteldampf in den Getrieberaum ausgeschlossen wird.

Für die zweitgenannte Alternative werden flüssigkeitsüberlagerte Verdichtersysteme verwendet, wie etwa eine Flüssigkeitsringpumpe oder flüssigkeitsüberlagerte Schraubenverdichter. Mit hochsiedenden Betriebsflüssigkeiten können dabei Betriebstemperaturen des Verdichters erreicht werden, die deutlich oberhalb der Sattdampftemperatur des erhitzten Arbeitsmitteldampfes liegen.

Mit solchen Verdichtersystemen können nahezu beliebige Flüssigkeiten als Arbeitsmittel verwendet werden. Besonders günstig sind dabei erfindungsgemäß Arbeitsmittel mit hoher molarer Verdampfungsenthalpie, da mit solchen Arbeitsmitteln eine vorgegebene Wärmemenge mit weniger Dampfvolumen transportiert werden kann und zusätzlich ein vorgegebener Temperatursprung bereits im Niederdruckbereich mit kleinen Druckdifferenzen erreicht wird. Diese Kriterien verbessern entscheidend die erreichbare Leistungsziffer des thermischen Transformationsprozesses. Zusätzlich kann das Arbeitsmittel vorteilhaft nach einem günstigen Siedepunkt für den gegebenen Temperaturbereich ausgewählt werden.

Beispiele für erfindungsgemäße Arbeitsmittel mit großer molarer Verdampfungsenthalpie und günstigen Siedepunkten im Hinblick auf praktische Aufgaben für Kältemaschinen und Wärmepumpen sind bekannte organische oder anorganische Lösemittel aus den Klassen ein- oder mehrwertige Alkohole, Ketone oder Aldehyde, sog. A3-Lösemittel, die etwa als Waschlösungen oder Extraktionslösungen genutzt werden, aromatische Weichmacher, halogenierte, insbesondere jodierte, organische Lösemittel, Wasser und durch anorganische Zusätze modifizierte wässrige Lösungen oder Silikone. Die genannten möglichen Arbeitsmittel sind ohne Anspruch auf Vollständigkeit als Beispiele und als Repräsentanten vergleichbarer Arbeitsmittel im Sinne der Erfindung zu verstehen und gelten auch für nicht genannte Flüssigkeiten mit ähnlichen physikalisch-chemischen Merkmalen.

In einer möglichen Ausführungsform der Erfindung wird zunächst in einem Verdampfer durch Einbringen externer Wärme flüssiges Arbeitsmittel verdampft. Der Dampf wird anschließend von einem Wälzkolbengebläse, das so ausgelegt ist, dass im Schöpfvolumen kein Öl als Schmier- oder Dichtungsmittel benötigt wird, verdichtet und dabei erhitzt.

Dabei wird das Wälzkolbengebläse so angetrieben, dass aufgrund der hohen Relativgeschwindigkeit zwischen Kolben- und Wandfläche eine dynamische Dichtung realisiert wird, die etwa ab einer Relativgeschwindigkeit von 1/10 der Schallgeschwindigkeit des jeweiligen Arbeitsmitteldampfes aufgebaut wird. Der erhitzte Dampf wird in einen Kondensator geleitet, wo er durch Wärmeaustausch mit einem Kühlmedium kondensiert und dabei die Kondensationswärme auf höherem Temperaturniveau abgibt. Das Kondensat wird anschließend über ein Schwimmerventil auf den Druck im Verdampfer entspannt. Hier wird das flüssige Arbeitsmittel erneut durch den externen Wärmeeintrag verdampft und der Prozess beginnt von neuem.

Wesentlich für das erfindungsgemäße Verfahren ist die Verwendung eines Arbeitsmittels mit hoher molarer Verdampfungsenthalpie, so dass bezogen auf einen gegebenen Wärmeeintrag in den Verdampfer vergleichsweise wenig Dampf gebildet wird. Außerdem ist das Arbeitsmittel nach dem Siedepunkt so ausgewählt, dass die Verdampfung und Kondensation im Niederdruckbereich, vorzugsweise im Unterdruckbereich stattfinden. Dann ist die vom Verdichter zu überwindende Druckdifferenz vergleichsweise klein, so dass ein entsprechend geringerer Eintrag mechanischer Energie für die Verdichtung erforderlich wird. Da der Dampf in diesem Druckbereich ein größeres Volumen einnimmt, sieht die Erfindung als günstige Ausführungsform eine Kombination aus einer Vorverdichtung in einem Wälzkolbengebläse und einer Nachverdichtung in einer Flüssigkeitsringpumpe vor; durch die unterschiedlichen Kennlinien der beiden Verdichtersysteme kann so bei geschickter Auslegung der Energiebedarf für die Verdichtung optimiert werden. Entsprechend der Definition der Leistungsziffer als Verhältnis von übertragener Nutzenergie zu notwendiger mechanischer Arbeit wird dadurch die Leistungsziffer deutlich verbessert.

In einer möglichen Ausführungsform kann das System so ausgestaltet werden, dass die Verdampfung im Bereich von etwa 100 bis 500 mbar, die mechanische Verdichtung eine Druckerhöhung von etwa 500 mbar und die Kondensation bei Normaldruck, geringem Unter- bzw. geringem Überdruck erfolgt. Abhängig vom jeweils ausgewählten Arbeitsmittel kann dabei die Verdampfung in einem Temperaturbereich ab etwa 0°C, die Kondensation in einem Bereich von 50°C bis mehr als etwa 150°C erfolgen.

Die Möglichkeit, mit der Temperaturerhöhung eine Temperatur oberhalb der Siedetemperatur des Wassers zu erreichen, ist dabei für die praktische Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens von entscheidender Bedeutung, da sich hiermit eine Vielzahl von praktischen Anwendungen im Bereich der Nutzung von Niedertemperaturwärme zur Herstellung von Prozessdampf bis etwa 3 bar ergibt.

In einer weiteren Ausführungsform kann der Prozess als zweistufige Verdichtung ausgelegt werden, wobei einem Wälzkolbengebläse als erster Stufe eine Flüssigkeitsringpumpe mit einem nachgeordneten Abscheider für mitgerissene Betriebsflüssigkeit als zweite Stufe nachgeordnet ist. Wie oben bereits erwähnt, zeichnet sich eine Flüssigkeitsringpumpe ebenfalls dadurch aus, dass die genannten vorteilhaften Arbeitsmittel mit hoher molarer Verdampfungsenthalpie verwendet werden können, da die Betriebsflüssigkeit nur eine Dicht- und keine Schmierfunktion erfüllt. Dabei können Betriebsflüssigkeiten mit einem derart hohen Siedepunkt, z.B. Silikonöle oder Diesteröle, ausgewählt werden, dass eine Kondensation des erhitzten Arbeitsmitteldampfes im Verdichtersystem selbst ausgeschlossen wird. Der verfahrenstechnische Vorteil der beschriebenen zweistufigen Auslegung liegt in der höheren Stabilität und Regelbarkeit der Verdichtung, die unabhängiger von Schwankungen beim Wärmeeintrag und der Temperatur bei Verdampfung und Kondensation abläuft.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird in das Wälzkolbengebläse flüssiges Arbeitsmittel aus dem Kondensator in das vom Kolben abgeschlossene Schöpfvolumen eingespritzt, wodurch zum einen durch die spontane Verdampfung auf den heißen Kolbenflächen eine gewünschte Kühlung der Maschine, zusätzlich ein Quench-Effekt erreicht wird, durch den eine etwaige Überhitzung des Dampfes abgebaut wird, so dass die Wärmeübertragung, und damit die Kondensationsleistung verbessert wird. Die Einspritzung wird dabei über ein Ventil, das über einen Temperaturfühler im Schöpfraum geschaltet wird, gesteuert.

Der Einspritzvorgang erfolgt dabei druckgesteuert durch den im Schöpfraum aufgebauten Druck und verursacht eine Vorverdichtung, die die mechanische Ausschubarbeit verringert und damit die Leistungsaufnahme weiter reduziert.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird als Arbeitsmittel ein Gemisch aus zwei oder mehr Komponenten, die ideal oder begrenzt mischbar sind, verwendet. Abhängig von den jeweiligen Siede- und Taukurven abhängig vom Mischungsverhältnis laufen Verdampfung und Kondensation nicht bei einer bestimmten Temperatur, sondern in einem mehr oder weniger ausgedehnten Temperaturbereich ab, so dass sowohl die Verdampfungs-, sowie die Kondensationsleistung gesteigert werden, wodurch zusätzlich die Leistungsziffern verbessert werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Prozess so geregelt, dass im Verdampfer immer Flüssigkeit vorhanden ist. Dadurch bildet sich der dem Temperaturniveau zugehörige Sattdampf. In gleicher Weise wird der Kondensator so betrieben, dass der Dampf in der dem oberen Temperaturniveau zugehörigen Sattdampftemperatur kondensiert wird. Durch diese Betriebsweise wird die wirksame Temperaturdifferenz zwischen Verdampfung und Kondensation und damit die vom Verdichter zu überwindende Druckdifferenz möglichst klein gehalten und damit die Effizienz des Prozesses, ausgedrückt in der Leistungsziffer, zusätzlich verbessert.

Leistungssteigernd ist außerdem der Verzicht auf das in herkömmlichen Kältemaschinen und Wärmepumpen erforderliche Entspannungsventil. Wegen der dort wirksamen großen Druckdifferenzen treten bei dieser Entspannung irreversible Strömungsverluste auf. Außerdem wird die Entspannung bei herkömmlichen Systemen so gesteuert, dass der Dampf nach dem Verdampfer überhitzt ist, um Flüssigkeitsschläge im Verdichter zu vermeiden; dies bedingt eine größere Druckdifferenz der Entspannung. Durch die bei der erfindungsgemäßen Ausführung wirkenden geringen Druckdifferenzen zwischen Kondensator und Verdampfer kann die Entspannungsvorrichtung als Schwimmerausführung ausgeführt werden, die geringe Strömungsverluste mit sich bringt. Außerdem kann auf Überhitzung des Dampfes verzichtet werden, da das Wälzkolbengebläse gegen Flüssigkeitsbildung unempfindlich reagiert. Eine weitere günstige Ausführungsform kann unter Verwendung von nicht-mischbaren Arbeitsmittelgemischen realisiert werden. Dann wird nach der Kondensation im Kondensator oder in einem nachgeschalteten Behälter eine Entmischung der Komponenten herbeigeführt und die Komponenten durch getrennte Zuleitungen in den durch eine Trennwand in zwei Verdampfungsräume unterteilten Verdampfer geleitet. Wird die Beheizung der beiden Verdampfungsräume unterschiedlich ausgelegt, so können Dampfgemische realisiert werden, die nicht dem thermodynamischen Gleichgewicht entsprechen.

Dadurch kann die Dampfbildung so beeinflusst werden, dass sich unterschiedliche Dampfgemische in Abhängigkeit vom Wärmeeintrag in den Verdampfer ergeben. Unter Berücksichtigung der unterschiedlichen molaren Verdampfungsenthalpien kann auf diese Weise der Gesamtprozess nochmals in seiner Effizienz gesteigert werden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Abbildung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Einzelnen beschrieben ist. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
Es zeigt
1 eine Kraft-Wärme-Maschine mit einer zweistufigen Verdichtung im Niederdruckbereich.
In einen Verdampfer (1) wird von außen über eine geeignete Wärmeübertragungsvorrichtung Wärme eingebracht, die ein in dem Verdampfer (1) befindliches flüssiges Arbeitsmittel verdampft. Der Arbeitsmitteldampf wird von einem Verdichtersystem, das in dem dargestellten Beispiel aus zwei hintereinandergeschalteten Verdichtereinheiten (2, 2a) besteht, angesaugt, verdichtet und dabei erwärmt. In der Abbildung wird die erste Stufe gebildet aus einem Wälzkolbengebläse (2) und die zweite Stufe aus einer Flüssigkeitsringpumpe (11) mit nachgeschaltetem Abscheider (12). Das von dem Wälzkolbengebläse (2) vorverdichtete Dampfvolumen wird in der Flüssigkeitsringpumpe (11) weiter verdichtet; mitgerissene Betriebsflüssigkeit der Ringpumpe wird im nachgeordneten Abscheider (12) vom Arbeitsmitteldampf getrennt. Die Aufteilung der Verdichtereinheit in zwei getrennte Teilsysteme bietet günstige Möglichkeiten zur Abstimmung der Verdichtung auf die gewünschten Temperaturniveaus, Druckdifferenzen und Volumenströme.
Der verdichtete Arbeitsmitteldampf wird anschließend im Kondensator (3) durch Wärmeaustausch oder sonstige Wärmeübertragung auf ein Kühlmedium (5) kondensiert. Das Kondensat wird anschließend von der Druckdifferenz zwischen Kondensator (3) und Verdampfer (1) über eine Kondensatrückführleitung (4), die mit einem Schwimmerventil (6) versehen ist, zurück in den Verdampfer (1) geleitet.
Eine weitere Kondensatzuleitung (7) ermöglicht des Einspritzen flüssigen Arbeitsmittels direkt in den Schöpfraum des Wälzkolbengebläses über Einspritzdüsen (10). Diese Kondensatzuleitung (7) wird über ein Schaltventil (8), das über einen Temperatursensor (9), der die Temperatur im Schöpfraum überwacht, gesteuert. Durch die Verdampfung des flüssigen Arbeitsmittels im Schöpfraum werden die Maschinenelemente gekühlt und der Dampf vorverdichtet, zusätzlich wird einer unerwünschten Überhitzung des Dampfes entgegengewirkt. Diese Vorverdichtung führt zur Reduzierung der Leistungsaufnahme des Verdichtersystems und damit zur Verbesserung des Wirkungsgrades.
Dieser Wirkungsgrad bestimmt im Wesentlichen die Leistungsziffer des Gesamtsystems zur Temperaturerhöhung, das ist das Verhältnis übertragener Nutzenergie zu aufgewandter mechanischer Arbeit. Unter energetischen Gesichtspunkten ist diese Leistungsziffer das entscheidende Qualitätskriterium. Dies gilt für die bekannten Anwendungen derartiger Systeme als Kältemaschine, Wärmepumpe, Klimatisierungssystem u.ä.
Wesentliche Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen in der Wahl der Verdichtersysteme, bei denen die Betriebsflüssigkeit keine Schmier- sondern Dichtfunktionen ausführt. Mit hochsiedenden Betriebsflüssigkeiten bei den flüssigkeitsüberlagerten Verdichtersystemen können damit Kondensationsendtemperaturen beim Enddruck erreicht werden, die deutlich über 100°C liegen; somit kann das dargestellte System auch zur Erzeugung von Prozessdampf von 2–3 bar dienen. Solche Temperaturniveaus sind mit den herkömmlichen Wärmepumpen nicht zu erreichen, da bereits bei geringeren Temperaturen eine Vermischung des Arbeitsmittels mit dem Schmiermittel der verwendeten Verdichter eintritt, die die Schmierung aufheben und so zur Zerstörung des Verdichters führen.

1: Verdampfer
2: Verdichter (Wälzkolbengebläse)
3: Kondensator
4: Kondensatrückführleitung
5: Kühlmedium
6: Schwimmerventil
7: Kondensatzuleitung
8: Schaltventil
9: Temperatursensor
10: Einspritzdüse
11: Flüssigkeitsringpumpe
12: Abscheider

Claims

Verfahren zur Temperaturerhöhung eines dampfförmigen Arbeitsmittels mit einem Verdampfer (1), einem mit dem Verdampfer verbundenen Verdichter (2), einem dem Verdichter nachgeschalteten Kondensator (3) und einer Rückführleitung (4), bei dem flüssiges Arbeitsmittel durch Wärmeeintrag von außen in den Verdampfer (1) verdampft wird, das dampfförmige Arbeitsmittel durch mechanische Verdichtung im Verdichter (2) verdichtet und dadurch erwärmt wird, im nachfolgenden Kondensator (3) durch Wärmeübertragung auf ein Kühlmedium (5) kondensiert und das Kondensat durch die Kondensatrückführleitung (4) in den Verdampfer (1) zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Verdichtung mit Verdichtersystemen durchgeführt wird, die entweder im Schöpfraum keine Schmierflüssigkeit enthalten oder bei denen die Betriebsflüssigkeit im Schöpfraum keine Schmierfunktion, sondern allein eine Dichtfunktion aufweist, so dass eine Vermischung von Arbeitsmittel mit Betriebsflüssigkeit nicht möglich ist oder für einen störungsfreien Betrieb des Verdichtersystems keinen Einfluss hat, wobei solche Verdichtersysteme allein oder in Kombination die Verdichtung bewirken.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Verdichtersystem ohne Betriebsflüssigkeit im Schöpfraum ein Wälzkolbengebläse, bei dem der Schöpfraum gas- und flüssigkeitsdicht gegen den Getrieberaum abgedichtet ist, verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Verdichtersystem, bei dem die Betriebsflüssigkeit keine Schmier-, sondern allein eine Dichtfunktion erfüllt, eine Flüssigkeitsringpumpe (11) oder ein flüssigkeitsüberlagerter Schraubenverdichter mit nachgeordnetem Abscheider (12) für mitgerissene Betriebsflüssigkeit verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Verdichtung mit einer Kombination zweier Verdichtersysteme, bei der das Wälzkolbengebläse als Vorpumpe einer nachgeordneten Flüssigkeitsringpumpe oder eines flüssigkeitsüberlagerten Schraubenverdichters arbeitet, durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im Verdampfer (1) kleiner als 1000 mbar, bevorzugt zwischen 50 und 800 mbar, noch mehr bevorzugt zwischen 100 und 500 mbar, oder größer als 1000 mbar ist, und/oder der Druck im Kondensator (3) kleiner als 1000 mbar, bevorzugt zwischen 100 und 950 mbar, noch mehr bevorzugt 300 und 800 mbar, oder größer als 1000 mbar ist, wobei die Druckdifferenz zwischen Verdampfer (1) und Kondensator (3) kleiner als 3000 mbar, bevorzugt zwischen 100 und 1500 mbar, noch mehr bevorzugt zwischen 400 und 1000 mbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass flüssiges Arbeitsmittel aus dem Kondensator (3) über eine Kondensatzuleitung (7) mit einem Steuerungsventil (8), das mittels eines Temperatursensors (9) im Schöpfraum des Verdichters angesteuert wird, in den Schöpfraum des Verdichters (2) über eine oder mehrere Einspritzdüsen (10) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungstemperatur im Verdampfer 1 zwischen –10°C und 80°C, bevorzugt zwischen 10°C und 60°C, die Kondensationstemperatur im Kondensator zwischen 30°C und 180°C, bevorzugt zwischen 60°C und 150°C, noch mehr bevorzugt zwischen 80°C und 120°C liegen.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfung im Verdampfer (1) und die Kondensation im Kondensator (3) bei Sattdampftemperatur ohne Überhitzung des Dampfes erfolgen, so dass die Temperatur- und damit die Druckdifferenz reduziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel ausgewählt ist aus der Gruppe organischer oder anorganischer Lösemittel umfassend Wasser, Alkohol, Säure, Keton, Aldehyd, aromatische Weichmacher, A3-Lösemittel und/oder Silikone.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel ein Gemisch aus zwei oder mehr Komponenten aus den im Anspruch 9 genannten Lösemitteln ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel eine molare Verdampfungsenthalpie größer als 20 kJ/mol, bevorzugt größer als 40 kJ/mol, noch mehr bevorzugt größer als 60 kJ/mol aufweist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gemischkomponenten ideal mischbar oder begrenzt mischbar sind und/oder Mischungslücken aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1, 10 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die entmischten Komponenten des Kondensats aus dem Kondensator (3) einzeln in zwei getrennte Verdampferräume im Verdampfer (1) geleitet werden, wo sie über getrennte Wärmeübertragungseinrichtungen mit unterschiedlichen Wärmemengen beaufschlagt werden können, so dass Arbeitsmitteldampf mit Nicht-Gleichgewicht-Mischungsverhältnis gebildet wird.
Anlage zur Temperaturerhöhung dampfförmiger Arbeitsmittel, dadurch gekennzeichnet, dass sie folgende Komponenten umfasst: a) einen Verdampfer (1), in dem ein Arbeitsmittel verdampfbar ist. b) ein mechanisches Verdichtersystem (2), in dem der Arbeitsmitteldampf verdichtet wird. c) einen Kondensator, in dem der Arbeitsmitteldampf kondensierbar ist. d) eine Kondensatrückführleitung (4) für das Kondensat, die ein Schwimmerventil (6) enthält, e) eine Kondensatzuleitung (7) mit einem Schaltventil (8), das über einen Temperatursensor (9) angesteuert wird, und Einspritzdüse(n) (10), über die Kondensat in den Schöpfraum des Verdichters (2) eingebracht werden kann. f) ein Abscheider (12), in dem mitgerissene Betriebsflüssigkeit aus dem Verdichtersystem abgetrennt und dann zurück in den Verdichter geführt wird.
Anlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfereinheit aus einer externen Wärmequelle in Form von Abwärme, Abluft, Erdwärme, Umgebungsluft, Solarstrahlung, Brennstoffzelle oder Wärmepumpe beheizt wird.
Anlage nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtereinheit ein Verdichtersystem ohne Schmierflüssigkeit im Schöpfraum, beispielsweise ein Wälzkolbengebläse, und/oder ein flüssigkeitsüberlagertes Verdichtersystem, bei dem die Betriebsflüssigkeit keine Schmier- sondern allein eine Dichtfunktion erfüllt, beispielsweise eine Flüssigkeitsringpumpe, ist.
Anlage nach Anspruch 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass im Kondensator (3) die Kondensationswärme auf ein Kühlmedium, beispielsweise eine Flüssigkeits- oder Gasströmung, einen Dampferzeuger und/oder einen chemischen Reaktor übertragen wird.
Anlage nach Anspruch 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (1) in zwei getrennte Verdampfungsräume unterteilt ist, in die durch unabhängige Wärmeübertragungseinrichtungen jeweils unterschiedliche Wärmemengen eingebracht werden können.
Anlage nach Anspruch 14 bis 18, die nach einem der genannten Verfahren betreibbar ist.
Verwendung einer Anlage nach einem der Ansprüche 14 bis 18 als Kältemaschine.
Verwendung einer Anlage nach einem der Ansprüche 14 bis 18 als Wärmepumpe.
Verwendung einer Anlage nach einem der Ansprüche 14 bis 18 als Teil eines Klimatisierungssystems.
Verwendung einer Anlage nach einem der Ansprüche 14 bis 18 zur Erzeugung von Treibdampf für die Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische, elektrische und/oder thermische Energie.