DE102006012852A1

DE102006012852A1 - Wärmepumpen mit Phasenwechsel des Arbeitsmediums im Arbeitsraum einer Verdrängungsmaschine

Info

Publication number: DE102006012852A1
Application number: DE200610012852
Authority: DE
Inventors: Michael Loeffler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-03-21
Filing date: 2006-03-21
Publication date: 2007-09-27
Also published as: WO2007107593A3; WO2007107593A2; WO2007107593B1; EP2016346A2

Abstract

Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Wärme oder Kälte aus mechanischer Energie und zur Erzeugung von Kälte aus Wärme und Wärme aus Kälte. Die Vorrichtung ist eine Wärmepumpe mit erweiterter Funktionalität und deutlich verbessertem Wirkungsgrad gegenüber dem Stand der Technik. Durch ein neuartiges thermodynamisches Verfahren, das im T-s-Diagramm einen im Wesentlichen dreieckigen Prozessverlauf aufweist (siehe Abbildung, gestrichelte Linie) wird die Arbeitszahl von Wärmepumpen auf das thermodynamische Maximum erhöht. Die Dreiecksform (gestrichelt, 1-2-6-1) erreicht eine Wärmeübertragung fast gänzlich ohne Exergieverlust (Fläche zwischen Wärmesenke 6-2 und der Flanke 2-6 des Dreiecksprozesses). Hingegen sind die Exergieverluste beim Kaltdampfprozess (Flächen 2-3-4-2 und 4-5-6-4) relativ hoch. Im Realfall ergeben sich mit dem Verfahren Wärmepumpen mit um 30% bis 50% verbessertem Wirkungsgrad gegenüber Wärmepumpen, die den herkömmlichen Kaltdampfprozess realisieren. Das neuartige Verfahren und die Vorrichtung können überall eingesetzt werden, wo Wärmepumpen eingesetzt werden. Darüber hinaus ist die Erzeugung von Wärme aus Kälte und die Erzeugung von Kälte aus Wärme, zum Beispiel mit Solarkollektoren, möglich. Mit dem Verfahren und der beschriebenen Vorrichtung ist auch hierbei die thermodynamisch maximal mögliche Arbeitszahl erreichbar.

Description

Stand der Technik
Zur Zeit verfügbare Wärmepumpen (WPn) mit Kompressor arbeiten mit einem Phasenwechsel, wobei das Arbeitsmedium bei der Verdampfung Wärme aufnimmt und bei der Kondensation Wärme abgibt. Je nach Arbeitspunkt wird dabei Wärme von der Umgebung aufgenommen und auf einem hohen Temperaturniveau abgegeben (WP als Wärmemaschine z.B. zur Raumheizung und/oder Brauchwassererwärmung) oder Wärme an die Umgebung abgegeben und bei einem niedrigen Temperaturniveau aufgenommen (WP als Kältemaschine).
Nach der Wärmeaufnahme im Verdampfer ist in beiden genannten Fällen eine Druckerhöhung des Arbeitsmediums in einer meistens elektrisch betriebenen Pumpe erforderlich.
WPn arbeiten in den meisten Fällen nach dem Kaltdampfprozess. Die Arbeitszahl von WPn zur Brauchwassererwärmung und Raumheizung liegen bei etwa 2-3. Theoretische Werte für die Arbeitszahlen liegen dabei je nach Temperaturniveaus der Warmseite und der Kaltseite und im Bereich Brauchwassererwärmung und Raumheizung bei etwa 6.
Zu lösende Probleme
Maximale theoretisch erreichbare Arbeitszahlen zur Erwärmung oder Abkühlung eines Mediums werden nicht mit dem Kaltdampfprozess, sondern mit einem im wesentlichen im T-s-Diagramm dreieckigen Zyklus erreicht.
In dem hier relevanten Fall der Erzeugung eines dreieckigen Kreisprozesses befindet sich der zu erzielende Arbeitszyklus im oder unmittelbar am Nassdampfgebiet des Arbeitsmediums. Der Dreiecksprozess besteht aus einem horizontalen Teilprozess, der Kathete 1 (isotherme Verdampfung oder Kondensation), einem vertikalen Teilprozess, der Kathete 2 (im Idealfall eine reversibel adiabate also isentrope Verdampfung oder Kondensation) und einem Wärmetauschprozess mit dem abzukühlenden oder zu erwärmendem Medium, der Hypotenuse im Dreieck. Das Beispiel einer Wärmepumpe zur Abgabe von Nutzwärme ist in 1 dargestellt. Letztgenannter Teilprozess, der als Hypotenuse erscheint, stellt in erster Näherung eine Gerade dar. Thermodynamisch genauer betrachtet, ist die Hypotenuse bei der Annahme von konstanten Wärmekapazitäten und Dichten des Arbeitsmediums, sowie des Mediums, welches die Wärme aufnimmt, eine Exponentialfunktion. Es zeigt sich, dass der Wärmetauschprozess in der Regel zwischen zwei flüssigen Medien ausgeführt wird. Da sehr gute Gegenstromwärmetauscher für flüssige Medien zur Verfügung stehen, ist bei diesem Teilprozess mit einem außerordentlich geringen Exergieverlust zu rechnen.
Die Fläche des Zyklus im T-s-Diagramm ist ein Maß für die mechanische Leistung, die in die Wärmepumpe fließen muss. Da die Fläche des Dreiecks etwa halb so groß ist wie die Fläche des Kaltdampfprozesses, erreicht der Dreiecks-Prozess etwa die doppelte Arbeitszahl im Vergleich zum Kaltdampfprozess.
Beschreibung der Erfindung
Nomenklatur: (Siehe auch 2)
Nachfolgend wird eine Maschine, die aus einem höheren Temperaturniveau als das Umgebungsniveau Wärme aufnimmt und aus einem niedrigeren Temperaturniveau als das Umgebungsniveau Wärme aufnimmt oder eine Maschine, die an ein höheres Temperaturniveau als das Umgebungsniveau Wärme abgibt und an ein niedrigeres Temperaturniveau als das Umgebungsniveau Wärme abgibt, ebenfalls als Wärmepumpen bezeichnet. Nachfolgend bezeichnen wir die letztgenannten beiden Arten von Wärmepumpen als Wärmespiegel, wenn bei einem idealen Prozessverlauf die erreichten Temperaturunterschiede zwischen den Kalt- und den Heißniveaus zum Umgebungsniveau in erster Näherung gleich sind und die umgesetzten Wärmemengen gleich sind.
Als Beispiel einer Verdrängungsmaschine wird nachfolgend eine Kolbenmaschine gewählt. Prinzipiell ist jedoch die Verwendung jeglicher Art von Verdrängungsmaschine zur Verwirklichung der dargestellten Dreiecksprozesse möglich. Bei der nachfolgend beschriebenen Kolbenmaschine ist die Kolbenstellung oberer Totpunkt, auch OT genannt, dadurch definiert, dass das im Zylinder umfasste Volumen in dieser Kolbenstellung minimal ist. Entsprechend ist der untere Totpunkt, auch UT genannt, dadurch definiert, dass das im Zylinder umfasste Volumen in dieser Kolbenstellung maximal ist.
Dreiecksprozesse:
Wir beschreiben nachfolgend zwei Arten von Dreiecksprozessen in Wärmepumpen. In der ersten Art kondensiert Arbeitsmedium im Arbeitsraum (hier: Zylinderraum) der Kompressionsmaschine, in der zweiten Art verdampft Arbeitsmedium im Arbeitsraum (hier: Zylinderraum) der Expansionsmaschine.

1. Die erste Art des dreieckigen Zyklus zeichnet sich dadurch aus, dass zunächst ein Arbeitsmedium auf Temperaturniveau der Umgebung unter Wärmezufuhr in einem Verdampfer verdampft wird (Wärmeaufnahme). Der Dampf wird bei der Expansion, hier bei der Kolbenbewegung vom OT zum UT in den Zylinder gesogen. Im UT oder zwischen UT und OT wird flüssiges und kaltes Arbeitsmedium in den Zylinderraum eingebracht. Bei der Kolbenbewegung vom UT zum OT kondensiert der eingeschlossene Dampf in die eingespritzte flüssige und kalte Phase und erwärmt diese. Im OT wird die flüssige Phase aus dem Zylinderraum entfernt Die erwärmte flüssige Phase kann dann die ihr zugeführte Wärme als Nutzwärme abgeben.
2. Die zweite Art des dreieckigen Zyklus zeichnet sich dadurch aus, dass im Bereich des OT flüssiges Arbeitsmedium in die Kolbenmaschine eingebracht wird. Bewegt sich nun der Kolben vom OT zum UT verdampft ein Teil des Arbeitsmediums und das Arbeitsmedium kühlt sich ab. Ist der Kolben im UT wird die abgekühlte flüssige Phase aus dem Zylinderraum entfernt und zu Kühlzwecken verwendet.

Voraussetzung für den kontrollierten Phasenwechsel ist bei beiden Zyklusarten, dass den Zylinderraum umfassenden Oberflächen eine höhere Temperatur aufweisen als die flüssige Phase; besagte Oberflächen müssen aus diesem Grund ggf. beheizt und/oder beschichtet ausgeführt sein.
Andere Verdrängungsmaschinen
Die Kolbenmaschine ist ein Beispiel für eine diskontinuierlich arbeitende Verdrängungsmaschine. Der Dreiecksprozess ist aber auch in anderen Verdrängungsmaschinen umsetzbar. Wichtig für den Prozess ist im wesentlichen eine isentrope Kompression oder Expansion. Als Beispiel für eine Verdrängungsmaschine sei eine Schraubenmaschine oder ein Scrollverdichter genannt. Dass zur Zeit erhältliche Schraubenmaschinen ein zu geringes Kompressions- bzw. Entspannungsverhältnis aufweisen sei am Rande bemerkt. Die beiden o.g. Prozesse werden in Verdrängungsmaschine wie folgt realisiert:

1. Die erste Art des Zyklus zeichnet sich durch eine Kompression eines Fluids aus, das in zwei Phasen vorliegt. Folglich wird zunächst Dampf in einem Verdampfer erzeugt und von der Kompressionsmaschine angesogen. Vor dem Eintritt des Dampfes in die Kompressionsmaschine oder nach einer Vorverdichtung des Dampfes in der Kompressionsmaschine wird flüssige Phase in den Dampf eingesprüht. In der Kompressionsmaschine wird das Gemisch weiter komprimiert. Dabei kondensiert der Dampf in die flüssige Phase hinein. Wird der Dampf vollständig kondensiert, so liegt am Austritt der Maschine nur noch flüssige Phase vor. In diesem Idealfall und bei isentropen Verhältnissen kann der vollständige Dreiecksprozess realisiert werden. Wie bei der Kolbenmaschine gibt das heiße flüssige Medium nach Austritt aus der Maschine seine Wärme als Nutzwärme ab.
2. Die zweite Art des Zyklus stellt sich im allgemeinen Fall der Expansionsmaschine folgendermaßen dar: Flüssiges Arbeitsmedium wird in die Expansionsmaschine eingebracht. Durch die Expansion wird Dampferzeugung erzwungen. Die erforderliche Verdampfungsleistung wird der flüssigen Phase entnommen, wodurch diese abkühlt und nach dem Austritt aus der Maschine zu Kühlzwecken verwendet werden kann.

Wärmedämmende Beschichtungen der Oberflächen des Arbeitsraumes begünstigen eine isentrope Prozessführung.
Beheizung des Zylinders
Da der Zylinder beheizt ausgeführt ist, wird konvektiv Wärme an das flüssige und das gasförmige Arbeitsmedium abgegeben. Dieser Wärmeübergang mit Exergieverlust verbunden und somit für den Prozess schädlich. Da Zylinderwand und Arbeitsmedium teilweise erheblich voneinander abweichende Temperaturen aufweisen, muss der Wärmeübergang durch Maßnahmen verringert werden.
Berechnungen und Versuche zeigen in diesem Zusammenhang:

• Der Wärmeübergang von der Zylinderwand an das gasförmige Arbeitsmedium ist geringfügig aufgrund der geringen Gasgeschwindigkeiten und der geringen Dichte des Gases.
• Der Wärmeübergang von der Zylinderwand an das flüssige Arbeitsmedium wird durch Beschichtung der entsprechenden Zylinderwand mit einem wärmeisolierenden Material, z.B. Teflon, Keramik oder Email und/oder durch besondere Arten der Einspritzung des Arbeitsmediums auf unschädlichem Niveau gehalten werden.

Einspritzung des flüssigen Arbeitsmediums
Zur Einspritzung des flüssigen Arbeitsmediums werden zwei Möglichkeiten vorgesehen:

1. Das flüssige Arbeitsmedium wird auf eine Kreisbahn in einer Vorkammer des Zylinders eingespritzt. Wir nennen diese Kreisbahn nachfolgend auch Zyklon. Das flüssige Arbeitsmedium verbleibt in der Vorkammer, während sich das gasförmige Arbeitsmedium durch eine Überströmöffnung zwischen Vorkammer und Zylinderraum je nach den herrschenden Druckverhältnissen zwischen den Räumen bewegen kann.
2. Das flüssige Arbeitsmedium wird beim Einspritzvorgang in möglichst kleine Tröpfchen zerstäubt. Die Tröpfchen verteilen sich im Zylinderraum. Nur Tröpfchen, die in die unmittelbare Nähe der beheizten Oberflächen gelangen, können an diesen Oberflächen Wärme aufnehmen. Da die Wärmeaufnahme mit der Verdampfung der Tröpfchen verbunden ist, steigt der Dampfmassenanteil im Bereich der beheizten Oberflächen und der Dampf an den Oberflächen überhitzt. Der überhitzte Dampf hemmt weitere Flüssigkeitstropfen in der Bewegung in Richtung zu den beheizten Oberflächen, was den Wärmeübergang verringert.

Ausführung der WPn mit Kondensation des Arbeitsmediums im Zylinderraum
Wichtig bei der Kondensation in das flüssige Arbeitsmedium ist eine gute Verteilung der Kondensationswärme innerhalb der flüssigen Phase.

• Im Fall der Einspritzung in den Zyklon führt die reibungsbehaftete Strömung des flüssigen Arbeitsmediums zu dessen vermischtem Zustand. Zusätzlich kann der Zyklon zur Vermischung des Arbeitsmediums eine besondere Bauform aufweisen, die eine Verwirbelung des Arbeitsmediums erlaubt. Wärme, die durch die Kondensation an der Oberfläche der flüssigen Phase abgegeben wird, wird somit aufgrund der Vermischung schnell genug in der gesamten flüssigen Phase verteilt. Der Zyklon hat den Vorteil, dass die Entfernung des flüssigen Arbeitsmediums aus dem Zylinder einfach erfolgen kann: wird ein Auslassventil am Zyklongrund geöffnet, so helfen die Zentrifugalkräfte dabei, das flüssige Arbeitsmedium aus der Vorkammer zu entfernen.
• Im Fall der Einspritzung als Sprühnebel stellt die Verteilung der Kondensationswärme kein Problem dar: die Flüssigkeitstropfen können sehr klein gewählt werden, so dass die Verteilung der Wärme innerhalb der Tröpfchen durch Wärmeleitung sehr schnell erfolgt. Die Wärmeverteilung innerhalb der Nebelwolke ergibt sich zwangsweise aus Partialdruckunterschieden: die Kondensation ist an der kältesten Stelle immer am größten und führt so zu einem Temperaturausgleich in der Wolke.

3 zeigt schematisch den Aufbau der Vorkammer mit Zyklon. Berechnungen und Versuche haben gezeigt, dass die Drehgeschwindigkeit des flüssigen Arbeitsmediums trotz der Reibung der Flüssigkeit an der Zyklonwand auf einem Niveau bleibt, das zur Phasentrennung ausreicht. Ebenso, dass der Wärmeaustausch des flüssigen Arbeitsmediums mit der Zyklonwand bei geeigneter Dimensionierung der Maschine und Beschichtung der Vorkammerwände nicht zu einer nennenswerten Beeinträchtigung des Prozesses führt.
Arbeitsweise der WPn
Prozessart Kondensation: Im unteren Totpunkt (UT, siehe 5) des Kolbens oder mit einer Verzögerung nach UT wird das flüssige Arbeitsmedium in den Zyklon eingespritzt. Im Zylinder befindest sich der zuvor eingesaugte Dampf. Während der Kolben vom UT bis zum oberen Totpunkt (OT) bewegt wird, wird vom Motor die Hubarbeit in die WP gesteckt. Dabei wird der zuvor eingesaugte Dampf komprimiert und in die zuvor eingespritzte flüssige Phase kondensiert. Im OT wird das erwärmte flüssige Arbeitsmedium ausgestoßen. Ist das Wärmeträgermedium ausgestoßen, so wird das Auslassventil geschlossen. Während des Rückwegs des Kolbens vom OT zum UT wird der im Verdampfer erzeugte Dampf in den Arbeitsraum eingesogen. Hierzu wird ein oder mehrere Einlassventile geöffnet. Damit ist der Kreislauf geschlossen. Das dargestellte System ist in der grundsätzlichen Bauform sehr einfach aufgebaut. Es benötigt zur Befüllung und Entleerung des Zylinders lediglich ein Einspritzventil und zwei Rückschlagventile.
Prozessart Verdampfung: Im OT wird flüssiges Wärmeträgermedium in den Zylinderraum eingespritzt. Beim Weg des Kolbens vom OT zum UT wird Wärmeträgermedium verdampft und das flüssige Wärmeträgermedium dabei abgekühlt. Im UT wird das flüssige Wärmeträgermedium aus dem Zylinderraum entfernt. Auf dem Weg des Kolbens vom UT zum OT wird der Dampf ausgestoßen und in einem Kondensator kondensiert. Im OT werden die Dampfauslassventile geschlossen. Der Prozess beginnt von vorne.
Beschreibung der Ansprüche und der Abbildungen
Die Verdopplung der Arbeitszahl von WPn wird erfindungsgemäß durch WPn nach Anspruch 1 und nach den Unteransprüchen gelöst.
Anspruch 1 beschreibt eine WP, in die flüssiges Arbeitsmedium eingespritzt wird.
Anspruch 2 beinhaltet eine WP mit einem Arbeitsraum, der aus Zylinderraum und Vorkammer besteht, wobei der Zylinderraum und die Vorkammer in einer Weise miteinander verbunden sind, dass eine Überströmung von Gas möglich ist. Ein verdampfbares Arbeitsmedium wird in flüssiger Form in die Vorkammer eingebracht, wobei das Arbeitsmedium auf eine kreisähnliche Bahn eingebracht wird. Die kreisähnliche Bahn der flüssigen Phase bewirkt Zentrifugalkräfte, welche die flüssige Phase aufgrund der hoher Dichte stark radial beschleunigt. Die radiale Beschleunigung und die bauliche Ausführung des Zyklon bewirken, dass die flüssige Phase nicht aus der Vorkammer austreten kann. Das Volumen des Zyklons (Totraum) sollte bei dem Aufbau möglichst klein sein.
Anspruch 3 betrifft die Geometrie des Zyklons. Der Zyklon ist im Querschnitt im wesentlichen kreisförmig ausgeführt, so dass das Arbeitsmedium mit einem Drall versehen werden kann. Der Drall dient dazu, eine innige Vermischung des Arbeitmediums zu begünstigen und die Ausbildung eines für den Prozesswirkungsgrad schädlichen Temperaturgradienten im Arbeitsmedium zu verhindern.
Anspruch 4 betrifft die Ausführung der Oberflächen der Zyklonwände. Zur Verringerung des konvektiven Wärmeübergangs vom flüssigen Arbeitsmedium an die Zyklonwand wird die Zyklonwand mit einer schlecht wärmeleitenden Beschichtung versehen. Diese Beschichtung kann beispielsweise Teflon, Keramik oder Email sein.
Anspruch 5 betrifft die Ausführung als Wärmepumpe, bei der das flüssige Arbeitsmedium während des Einspritzvorgangs mittels einer Einspritzdüse möglichst fein zerstäubt wird.
Anspruch 6 betrifft die Ausführung der dem Dampfraum zugewandten Oberflächen des Kolbens. Zur Verringerung des konvektiven Wärmeübergangs vom Arbeitsmedium an den Kolben wird die betreffende Oberfläche des Kolbens mit einer schlecht wärmeleitenden Beschichtung versehen. Diese Beschichtung kann beispielsweise Teflon, Keramik oder Email sein.
Anspruch 7 betrifft die Beheizung der Zylinder- und Zyklonwände und des Kolbens. Wenn das Gas komprimiert wird, so müssen die der gasförmigen Phase zugänglichen Bauteile der Maschine eine Temperatur besitzen, die größer ist als die Kondensationstemperatur bei dem gerade herrschenden Gasdruck. Wären die Oberflächen der Bauteile kälter, so würde ein Teil der gasförmigen Phase an diesen Oberflächen schlagartig kondensieren. Die kondensierte Phase würde nicht mehr zur Kondensation ins Arbeitsmedium bereitstehen und Leistung und Arbeitszahl der Maschine würde sich verringern.
Anspruch 8 betrifft die Prozessführung bei der Prozessart Kondensation. Bei der Maschine kann man von einem Zweitakter sprechen. Im OT werden die Einlassventile für den Dampf geöffnet. Bis zum Erreichen des UT wird Dampf aus dem Verdampfer eingesogen. Im UT werden die Einlassventile geschlossen und unmittelbar oder mit einer Verzögerung flüssiges Arbeitsmedium eingespritzt. Ist der Dampf und das flüssige Arbeitsmittel auf gleicher Temperatur, kann unmittelbar nach dem Schließen der Einlassventile eingespritzt werden. Ist die einzuspritzende flüssige Phase wärmer als die Dampfphase, so wird erst eingespritzt, wenn der im Zylinder befindliche Dampf soweit komprimiert wurde, bis der Druck des Dampfes dem Dampfdruck der flüssigen Phase entspricht. Bei der Bewegung des Kolbens vom UT zum OT wird der Dampf komprimiert und es setzt Kondensation des Dampfes in die flüssige Phase ein. Im OT wird die flüssige Phase entnommen. Danach werden wieder die Einlassventile geöffnet, womit der Kreislauf geschlossen ist. Während des Prozesses wird das dampfförmige im Zylinder befindliche Arbeitsmedium komprimiert, wobei es an der kältesten Stelle, nämlich in die eingespritzte flüssige Phase kondensiert und dabei die flüssige Phase erwärmt. Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das eingespritzte flüssige Arbeitsmedium auch eine Temperatur aufweisen kann, die geringer ist als die Umgebungstemperatur. In diesem Fall tritt bei der Einspritzung eine schlagartige Reduktion des Dampfdruckes ein. Die Einspritzvariante kaltes Wasser wird beispielsweise beim Wärmepumpentyp Wärme aus Kälte eingesetzt. Bei geeigneter Temperaturwahl des kalten Wassers ist ein Betrieb der Wärmepumpe ohne mechanisch zugeführte Antriebsenergie möglich.
Anspruch 9 betrifft die Prozessführung bei der Prozessart Verdampfung. Im Bereich des oberen Totpunktes (OT) des Kolbens wird das oder die Auslassventile geschlossen und danach das Arbeitsmedium eingespritzt. Auf dem Weg des Kolbens vom OT zum unteren Totpunkt (UT) verdampft ein Teil des Arbeitsmediums. Die einsetzende Verdampfung führt zu einer Abkühlung des flüssigen Arbeitsmediums. Im Bereich des UT wird die flüssige Phase des Arbeitmediums aus dem Zylinder raum entfernt. Auf dem Weg des Kolbens vom UT zu OT wird die entstandene gasförmige Phase durch ein Auslassventil ausgestoßen und in einem Kondensator kondensiert. Ausdrücklich sei darauf hingewiesen, dass das Ausstoßen des Dampfes in den Kondensator auch erfolgen kann, wenn der Kondensatordruck höher ist als der Dampfdruck im Zylinder im UT. In diesem Fall muss der Kolben den im Zylinder befindlichen Dampf zunächst so stark komprimieren, bis der Kondensatordruck erreicht ist. Erst dann wird das Auslassventil geöffnet. Diese Prozessführung betrifft z. B. den Wärmepumpentyp Kälte aus Wärme. Bei geeigneter Temperaturwahl des heißen Wassers ist ein Betrieb der Wärmepumpe ohne mechanisch zugeführte Antriebsenergie möglich.
Anspruch 10 betrifft die Ausführung einer Wärmekraftmaschine bei der das Wärmeträgermedium ungiftiges Wasser ist.
1, Wärmepumpe zur Abgabe von Nutzwärme, zeigt die idealen Prozessverläufe bei einer Wärmepumpe zur Abgabe von Nutzwärme mit dem idealen Kaltdampfprozess, Linie 1-2-3-4-5-6-1 und dem Dreiecksprozess, gestrichelt, 1-2-6-1. Zur Verdeutlichung der Wirkungsprinzipien und zum grundsätzlichen Vergleich der Prozesse genügt an dieser Stelle die Darstellung der idealen Verläufe. Deutlich zu sehen ist der Exergieverlust bei den Prozessen. Dieser entspricht beim Kaltdampfprozess der Fläche zwischen den Kurven der Wärmesenke, gepunktet, 6-2, sensible Wärme, und der entsprechenden Kurve des Kaltdampfprozesses 2-3-4-5-6. Hingegen entspricht der Exergieverlust beim Dreiecksprozess der Fläche zwischen den Kurven der Wärmesenke 6-2 und der Kurve des Dreiecksprozesses 2-6. Bei idealem Verhalten des Gegenstromwärmetauschers, der die Energie zwischen Arbeitsmedium und dem Wärmeträger der Wärmesenke überträgt und bei identischem thermischem Kapazitätenstrom der beiden Medien verschwindet der Exergieverlust gänzlich.
2 Wärmepumpentypen, zeigt vier verschiedene Typen von Wärmepumpen: Wärmemaschine 1 mit T_Nutz > T_Umg., Kältemaschine 2 mit T_Nutz < T_Umg., Wärme aus Kälte 3 mit T_Nutz > T_Umg. und Kälte aus Wärme 4 mit T_Nutz < T_Umg. Q ._nutz bezeichnet dabei die Nutzleistung, Q ._ab die abgegebene Leistung und Q ._zu die der Maschine zugeführte Leistung. Die Maschinen 3 und 4 sind dabei Wärmespiegel und kommen bei geeigneter Dimensionierung und Auslegung der Temperaturen ohne die Zuführung von mechanischer Energie aus. Q . sind Wärmeleistungen, die je nach Pfeilrichtung in die Maschine eingeleitet oder aus der Maschine entnommen werden. W_mech. Ist die zugeführte mechanische Leistung. T_Nutz sind die Temperaturniveaus der Nutzleistung, die aus der Maschine entnommen werden oder in die Maschine abgegeben werden. Je nach Maschinentyp ist diese Temperatur höher oder niedriger als das Niveau der Umgebungstemperatur T_Umg.. T_ab und T_zu sind Temperaturniveaus, bei denen Leistung aus der Maschine abgeführt oder der Maschine zugeführt werden müssen. Als Beispiel für einen Wärmespiegel des Typs Kälte aus Wärme sei ein System , bei dem die zugeführte Wärme aus einem Solarkollektor kommt (T_zu = 60°C) und das Niveau der Umgebungstemperatur bei 30°C liege. Mit dem Maschinentyp: Temperaturspiegel Kälte aus Wärme kann die Maschine Kälteleistung auf einem Temperaturniveau bei etwa 5°C liefern. Die Kälteleistung ist betragsmäßig etwa so groß wie die der Maschine zugeführte Wärmeleistung aus dem Kollektor. Die an die Umgebung abgeführte Wärmeleistung besteht aus der Summe des Betrags der Kälteleistung und der Kollektorwärmeleistung, ist also etwa doppelt so groß wie die Kollektorwärmeleistung.
3 zeigt beispielhaft den Aufbau einer Vorkammer für eine erfindungsgemäße WP mit angedeuteter tangentialer Einspritzung des Wärmeträgermediums durch das Einlassventil bei beispielsweise 1 bar und 20°C und Austritt durch das Auslassventil bei 0,5bar und 80°C. Im Zyklon bewegt sich das flüssige Wärmeträgermedium auf Kreisbahnen. Das gasförmige Wärmeträgermedium kann im Fall der Kondensation vom Zylinder in den Zyklon und im Fall der Verdampfung vom Zyklon in den Zylinder strömen.
4 zeigt den Schnitt durch einen Zyklon mit Drall. Nicht eingezeichnete Leitbleche im Zyklon und eine tangentiale Einspritzung des Arbeitsmediums sorgen für einen Drall. Dieser Drall begünstigt eine Vermischung des flüssigen Arbeitsmediums wodurch sich die durch den Phasenwechsel an der Flüssigkeitsoberfläche übertragene Wärme gleichmäßig auf die flüssige Phase verteilt.
5 zeigt den Aufbau einer WP als Heizung mit Zyklon, Einlassventil V, Kolben, Kolbenstange und Kurbelwelle mit Motor. Auslassventile sind nicht eingezeichnet. Die WP erreicht bei den gegebenen Temperaturen eine theoretische Arbeitszahl von ca. 11. Die Thermische Nutzleistung P_nutz wird vorzugsweise über einen Gegenstromwärmetauscher entnommen. Im Verdampfer befindet sich beispielsweise Wasser mit einer Temperatur von 20°C bei einem Druck von 23mbar. Im Vorratsbehälter befindet sich Wasser bei 20°c und einem Druck von 1 bar. Im Auffangbehälter befindet sich Wasser mit beispielsweise 80°C bei 0,5 bar Druck. P_ab ist in diesem Fall aus der Umgebung zugeführte Wärme. Die Angaben 10% und 90% bedeuten, dass sich die Massenströme des Arbeitsmediums an diesem Abzweig beispielsweise im Verhältnis 10 zu 90 aufteilen.
6 T-s-Diagramm des neuartigen Prozesses bei unmittelbarer Einspritzung nach dem Ansaugen des Dampfes (1) und bei verzögerter Einspritzung (2); vereinfachte Darstellungen. Die Abbildung zeigt den idealen Prozessverlauf bei Einspritzung unmittelbar nach Dampfansaugung (1). Dieser Prozess kann z.B. zur Brauchwassererwärmung verwendet werden. Außerdem wird der Prozess bei verzögerter Einspritzung (2) gezeigt. Letzterer Prozess kann zur Raumheizung verwendet werden: Dampf bei Umgebungstemperatur, z.B. 10°C, wird zunächst durch adiabate Kompression auf z.B. 28°C komprimiert. Dann wird 25°C warmes flüssiges Arbeitsmedium eingespritzt. Bei weiterer Komprimierung setzt die Kondensation und Erwärmung des Arbeitsmedium auf z. B. 40°C ein. Als x-Achse wurde hier die nicht-spezifische Entropie S (Ws/K) gewählt.

Claims

Aufbau und Funktion einer Wärmepumpe mit Phasenwechsel des Arbeitsmediums im Zylinderraum einer Kolbenmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium flüssig und verdampfbar ist und in flüssiger Form in den Zylinderraum eingespritzt wird.
Aufbau und Funktion einer Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in flüssiger Form in einen Teilbereich des Zylinderraums der Maschine, Vorkammer genannt, eingespritzt wird und sich auf kreisähnlichen Bahnen bewegt, wobei das flüssige Wärmeträgermedium aufgrund der hohen Dichte und der dadurch hervorgerufenen hohen Zentrifugalkräfte zum überwiegenden Teil in der Vorkammer gehalten wird, während dampfförmiges Arbeitsmedium in den gesamten Zylinderraum entweichen oder vom Zylinderraum in die Vorkammer eindringen kann.
Aufbau und Funktion einer Wärmepumpe nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium im Zyklon zusätzlich zur kreisförmigen Bewegung einen Drall erhält, wodurch die Vermischung des Arbeitsmediums noch besser gewährleistet ist.
Aufbau und Funktion einer Wärmepumpe nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände des Zyklons, die mit der flüssigen Phase in Berührung kommen, mit einem schlecht wärmeleitenden Material beschichtet ausgeführt sind.
Aufbau und Funktion einer Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in flüssiger Form in den Zylinderraum der Maschine eingespritzt wird, wobei die flüssige Phase mittels einer Einspritzdüse zerstäubt wird.
Aufbau und Funktion einer Wärmepumpe nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die dem dampfgefüllten Raum des Zylinders zugewandte Oberfläche des Kolbens mit einem schlecht wärmeleitenden Material beschichtet ausgeführt ist.
Aufbau und Funktion einer Wärmepumpe nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem entstehenden Dampf in Berührung kommenden Bauteile wie Zyklonwand, Zylinderwand oder Kolben beheizt ausgeführt sind.
Aufbau und Funktion einer Wärmepumpe nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Auslassventile im Bereich des OT geschlossen werden, worauf der Einlass von Dampf bis zum UT erfolgt, worauf das oder die Einlassventile geschlossen werden und unmittelbar oder mit einer Verzögerung flüssiges Arbeitsmedium eingespritzt wird, worauf die Komprimierung und Kondensation des Dampfes in die flüssige Phase erfolgt, worauf im OT das Auslassventil geöffnet wird und damit das Ausstoßen der erwärmten flüssigen Phase erfolgt und danach der Zyklus von neuem beginnt.
Aufbau und Funktion einer Wärmepumpe nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Auslassventile im Bereich des OT geschlossen werden, worauf flüssiges Arbeitsmedium eingespritzt wird, worauf die Expansion beginnt und die Verdampfung aus der flüssigen Phase und dabei die Abkühlung der flüssigen Phase erfolgt, worauf im UT die flüssige Phase entnommen wird und die Auslassventile für die gasförmige Phase geöffnet werden, worauf bis zum erreichen des OT der Ausstoß der gasförmigen Phase erfolgt und der Zyklus von neuem beginnt.
Aufbau und Funktion einer Wärmepumpe nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das eingespritzte Wärmeträgermedium Wasser ist.