DE102007027725A1 - Method for producing useful heating and cooling energy, involves absorbing ambient air with turbo-heat pump, where compressed and warmed up air is produced in compression impeller of heat pump - Google Patents

Method for producing useful heating and cooling energy, involves absorbing ambient air with turbo-heat pump, where compressed and warmed up air is produced in compression impeller of heat pump Download PDF

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Abstract

The method involves absorbing ambient air with a turbo-heat pump (70), where a compressed and warmed up air (5) is produced in a compression impeller (4) of the heat pump. The air (5) is cooled in a heat exchanger (6) for releasing useful heat, which is supplied to a consumer. The cooled air in the heat exchanger is divided into two component currents (7,10). The component current (7) is supplied to an expansion impeller (8) of the heat pump for expanding and cooling the current. Independent claims are also included for the following: (1) a device for an execution of a method (2) an application of the device.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Nutz-Wärme und/oder Nutz-Kälte mit einer Wärme- und Kälteerzeugungsanlage, welche nach dem Wärmepumpenprinzip arbeitet und eine mit Brennstoff und Luft betriebene Antriebsturbine und eine mit Luft als Arbeitsmittel im offenen Kreislauf betriebene Turbo-Wärmepumpe aufweist. Die Erfindung betrifft des weiteren eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung von Nutz-Wärme und/oder Nutz-Kälte. Insbesondere geht es um die Realisierung einer nach dem Wärmepumpenprinzip arbeitenden Wärme- und Kälteerzeugungsanlage, bei welcher durch Verbrennung eines Brennstoffs gleichzeitig sowohl Wärme- als auch Kälte-Energie erzeugt werden kann.The The invention relates to a process for generating useful heat and / or utility refrigeration with a heat and cooling system, which works on the heat pump principle and one with Fuel and air powered power turbine and one with air As a working medium in an open circuit operated turbo heat pump having. The invention further relates to a device for implementation of the inventive method for production of useful heat and / or useful cold. Especially It is about the realization of a heat pump principle working heat and cooling plant, in which by combustion of a fuel simultaneously both heat and as well as cold energy can be generated.

Häufig werden Wärmeerzeugungsanlagen mit der Erzeugung von elektrischer Energie kombiniert. Diese bekannten Verbundanlagen haben den Vorteil eines sehr hohen Gesamtwirkungsgrades, weil die „Abfallwärme" bei der Stromerzeugung noch für Heizzwecke genutzt werden kann. Sie sind allerdings in den meisten Fällen nur in größeren Einheiten wirtschaftlich einsetzbar.Often are heat generating plants with the production of electrical Energy combined. These known compound systems have the advantage a very high overall efficiency, because the "waste heat" be used for heating purposes in power generation can. They are, however, in most cases only in larger units can be used economically.

Derartige Wärmeerzeugungsanlagen, die mit Erzeugung von elektrischer Energie kombiniert sind, nutzen die Brennstoffwärme nahezu 100%-ig aus. Für sehr große Leistungen, z. B. für Wärmekraftwerke mit Fernwärmeerzeugung werden vorzugsweise Turbo-Maschinen eingesetzt. Auch bei den von Kolbenmaschinen angetriebenen Blockheizkraftwerken werden häufig größere Einheiten eingesetzt, die Strom erzeugen und zum Teil ganze Straßenzüge mit Fernwärme versorgen können.such Heat generating plants that generate electricity Energy combined, use the fuel heat almost 100% off. For very large services, eg. B. for thermal power plants with district heating Turbo machines are preferably used. Also with the piston engines driven combined heat and power plants are often larger Units used to generate electricity and sometimes whole streets can supply with district heating.

In neuerer Zeit sind auch mit Kolbenmaschinen ausgestattete Blockheizkraftwerke kleinerer Leistung bekannt geworden, wie sie etwa für Einfamilienhäuser geeignet erscheinen. Solche mit Kolbenmaschinen ausgestatteten Blockheizkraftwerke kleinerer Leistung sind aufwändig in der Herstellung und erfordern einen hohen Aufwand bei Geräuschisolierung und Wartung. Zusätzlicher Aufwand ist für die Einspeisung des erzeugten Stroms in das Stromnetz erforderlich. Von großem Nachteil ist auch, dass die Zeiten des Strombedarfs und die Zeiten des Wärmebedarfs häufig nicht zusammenfallen, so dass die hohe Energie-Ausnutzung von fast 100% nicht erreicht werden kann.In more recent times are also equipped with reciprocating cogeneration units smaller power became known, as they are for single-family homes appear appropriate. Such equipped with piston engines cogeneration units smaller power are costly to manufacture and require a lot of effort in noise isolation and maintenance. Additional effort is required for the feed of the generated electricity in the power grid required. Of great Disadvantage is also that the times of the electricity demand and the times heat demand often does not coincide, so that the high energy utilization of almost 100% is not achieved can be.

Aus der Druckschrift DE 28 18 543 A1 ist eine Anlage zur Wärme-Erzeugung bekannt, die durch den Einsatz einer Kleinst-Turbo-Antriebsmaschine und einer Kleinst-Turbo-Wärmepumpe auch für kleine Anlagen, z. B. für Einfamilienhäuser, geeignet erscheinen. Hier wird die mechanische Antriebsleistung der Turbo-Antriebsmaschine nicht zur Stromerzeugung genutzt, sondern zum Antrieb einer Turbo-Wärmepumpe. Durch diese Turbo-Wärmepumpe wird Wärmeenergie aus der Umgebung auf ein höheres für Heizzwecke geeignetes Temperaturniveau angehoben. Auf Stromerzeugung mit den damit verbundenen Nachteilen wird verzichtet. Auch auf die Nutzung der beim Wärmepumpenbetrieb anfallenden Kälteenergie wird verzichtet.From the publication DE 28 18 543 A1 is a plant for heat generation known, which by the use of a micro-turbo engine and a micro-turbo heat pump for small plants, such. B. for single-family homes, appear appropriate. Here, the mechanical drive power of the turbo prime mover is not used to generate electricity, but to drive a turbo heat pump. By means of this turbo heat pump, heat energy from the environment is raised to a higher temperature level suitable for heating purposes. On power generation with the associated disadvantages is waived. Also on the use of incurred during heat pump operation refrigeration energy is omitted.

Um auch den hohen Aufwand bei Herstellung, Geräuschisolierung und Wartung beim Antrieb mit Kolbenmaschinen zu vermeiden, wird der Einsatz einer Kleinst-Turbo-Antriebsmaschine und einer Kleinst-Turbo-Wärmepumpe vorgeschlagen.Around also the high effort in production, noise isolation and maintenance of the drive with piston engines is avoided the use of a micro-turbo engine and a micro-turbo heat pump proposed.

Turbo-Maschinen für sehr kleine Leistungen, wie sie beispielsweise in der Druckschrift DE 28 18 543 A1 vorgeschlagen werden, haben relativ niedrige Wirkungsgrade.Turbo machines for very low power, as shown for example in the publication DE 28 18 543 A1 proposed to have relatively low efficiencies.

Ursache hierfür ist unter anderem auch das verhältnismäßig geringe Verdichtungsverhältnis des Arbeitsmediums Luft, das bei einer 1-stufigen Verdichtung in einem einzigen Kompressions-Laufrad erreicht werden kann. Der Wirkungsgrad von thermischen Kraft-Maschinen (Verbrennungs-Motoren, Gasturbinen ...) hängt ganz wesentlich vom Verdichtungsverhältnis, dem Verhältnis aus Ansaugvolumen zum Kompressionsvolumen, ab. Je höher dieses Verdichtungsverhältnis ist, desto höher ist im allgemeinen auch der Wirkungsgrad. Bekanntlich haben Dieselmotoren ein sehr hohes Verdichtungsverhältnis und auch einen sehr hohen Wirkungsgrad, der wiederum einen sehr niedrigen Kraftstoffverbrauch zur Folge hat.reason Among other things, this is also the proportionate low compression ratio of the working medium air, achieved in a 1-stage compression in a single compression impeller can be. The efficiency of thermal power machines (combustion engines, gas turbines ...) depends very much on the compression ratio, the ratio of intake volume to compression volume, from. The higher this compression ratio is, the higher the efficiency in general. generally known Diesel engines have a very high compression ratio and also a very high efficiency, which in turn is a very low fuel consumption.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung von Nutz-Wärme und/oder Nutz-Kälte und eine Wärme- und Kälteerzeugungsanlage mit Turbo-Antrieb und Turbo-Wärmepumpe auch für kleinere und mittlere Leistungen anzugeben, bei der ein wesentlich höheres Verdichtungsverhältnis und dadurch ein höherer Wirkungsgrad des Turbo-Antriebs und somit bei gleichem Brennstoff-Einsatz eine größere Wärme- und Kälteleistung erreicht wird und bei der auch die erzeugte Kälteenergie sinnvoll genutzt werden kann.Of the The invention is therefore based on the object, a method for generating of useful heat and / or useful cold and a heat and refrigeration system with turbo drive and turbo heat pump also for smaller and medium-sized services, at the a much higher compression ratio and thus a higher efficiency of the turbo drive and thus with the same fuel use a larger one Heating and cooling capacity is achieved and at the usefulness of the generated cooling energy can.

Hinsichtlich des Verfahrens wird zur Lösung dieser Aufgabe ein Verfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen, wobei bei diesem Verfahren zunächst Umgebungsluft mit der Turbo-Wärmepumpe angesaugt wird, wobei während des Ansaugens der Umgebungsluft diese in einem Kompressionslaufrad der Wärmepumpe verdichtet und erwärmt und eine komprimierte und erwärmte Luft erzeugt wird. Anschließend wird die im Kompressionslaufrad der Wärmepumpe verdichtete und erwärmte Luft in einem Wärmetauscher unter Abgabe von Nutzwärme, die einem Verbraucher zugeführt wird, abgekühlt. Danach wird die in dem Wärmetauscher abgekühlte Luft in einen ersten Teilstrom und in einen zweiten Teilstrom aufgeteilt, wobei der erste Teilstrom zu einem Expansionslaufrad der Wärmepumpe zugeführt wird, welcher dann in dem Expansionslaufrad der Wärmepumpe expandiert und abkühlt. Der abgekühlte und expandierte erste Teilstrom wird dann einem Kälteverbraucher als Nutzkälte zugeführt wird. Andererseits wird der zweite Teilstrom zu einem Kompressionslaufrad der Antriebsturbine zugeführt, wobei danach der zweite Teilstrom der im Kompressionslaufrad der Wärmepumpe verdichteten und erwärmten Luft in einer zweiten Stufe der Antriebsturbine im Vergleich zu der während des Ansaugens der Umgebungsluft im Kompressionslaufrad der Wärmepumpe verdichteten und erwärmten Luft wesentlich höher komprimiert und erwärmt wird.With regard to the method, a method of the type mentioned is proposed to solve this problem, wherein in this method first ambient air is sucked in with the turbo heat pump, during the intake of the ambient air compressed and heated in a compression impeller of the heat pump and a compressed and heated Air is generated. Subsequently, the compressed in the compression impeller of the heat pump and heated air in a heat exchanger with release of Nutzwär cooled down to a consumer. Thereafter, the air cooled in the heat exchanger is divided into a first partial flow and a second partial flow, the first partial flow being supplied to an expansion impeller of the heat pump, which then expands and cools in the expansion impeller of the heat pump. The cooled and expanded first partial flow is then supplied to a refrigeration consumer as useful refrigeration. On the other hand, the second partial flow is supplied to a compression impeller of the drive turbine, wherein thereafter the second partial flow of compressed and heated in the compression impeller of the heat pump air in a second stage of the drive turbine compared to the compressed during the intake of the ambient air in the compression impeller of the heat pump and heated air substantially is compressed higher and heated.

Vorzugsweise wird die mit der Turbo-Wärmepumpe anzusaugende Umgebungsluft in einem offenen Kreislauf ohne Vorwärmung oder Vorkühlung der Umgebung mit Umgebungstemperatur und Umgebungsdruck entnommen.Preferably becomes the ambient air to be sucked in with the turbo heat pump in an open circuit without preheating or pre-cooling taken from the environment with ambient temperature and pressure.

Denkbar wäre es aber auch, dass die Luft in einem offenen Kreislauf der Umgebung mit Umgebungstemperatur und Umgebungsdruck entnommen wird, wobei die Umgebungsluft in einem Wärmetauscher durch Abgas aus der Antriebsturbine oder durch die Abluft einer Klimaanlage oder einer anderen geeigneten Wärmequelle vorgewärmt wird.Conceivable But it would also be that the air in an open circuit the environment with ambient temperature and ambient pressure is taken, wherein the ambient air in a heat exchanger by exhaust gas from the drive turbine or through the exhaust air of an air conditioner or another suitable heat source preheated becomes.

Schließlich wäre es ferner denkbar, dass die Luft in einem offenen Kreislauf der Umgebung mit Umgebungstemperatur und Umgebungsdruck entnommen wird, wobei die Umgebungsluft in einem Wärmetauscher durch Grundwasser, vorzugsweise Brunnenwasser, oder durch die gekühlte Abluft einer Klimaanlage oder einer anderen geeigneten Kältequelle vorgekühlt wird.After all It would also be conceivable that the air in an open Circulation of the environment with ambient temperature and ambient pressure is taken, the ambient air in a heat exchanger by groundwater, preferably well water, or by the cooled Exhaust air from an air conditioner or other suitable source of cold is pre-cooled.

Vorzugsweise wird die im Wärmetauscher abgeführte Wärme dem Verbraucher für Heizzwecke zugeführt.Preferably becomes the heat dissipated in the heat exchanger supplied to the consumer for heating purposes.

In einer bevorzugten Realisierung des Verfahrens wird die in dem Wärmetauscher abgekühlten Luft durch einen verstellbaren Strömungsverteiler in die beiden Teilströme und derart aufgeteilt, dass die Aufteilung der abgekühlten Luft veränderbar ist.In a preferred realization of the method is that in the heat exchanger cooled air through an adjustable flow distributor in the two sub-streams and divided so that the division the cooled air is changeable.

Besonders bevorzugt wird der erste Teilstrom im Expansionslaufrad auf etwa Umgebungsdruck entspannt und dadurch unter die Umgebungstemperatur abgekühlt, wobei die dadurch entstehende kalte Abluft für Kühlzwecke genutzt wird.Especially Preferably, the first partial flow in the expansion impeller is about Ambient pressure relaxed and thus below the ambient temperature cooled, with the resulting cold exhaust air for Cooling is used.

Andererseits ist es bevorzugt, dass durch die Expansion des ersten Teilstroms im Expansionslaufrad mit dem Expansionslaufrad mechanische Antriebsenergie erzeugt wird, die auf eine gemeinsame Welle zum Antrieb der Kompressionslaufräder der Wärmepumpe und der Antriebsturbine, sowie vorzugsweise zum Antrieb eines mit der gemeinsamen Welle verbundenen Starter-Generators übertragen wird.on the other hand it is preferred that by the expansion of the first partial flow in the expansion impeller with the expansion impeller mechanical drive energy is generated on a common shaft for driving the compression wheels the heat pump and the power turbine, and preferably is transmitted to drive a connected to the common shaft starter generator.

Im Hinblick auf die zweite Stufe der Antriebsturbine ist es bevorzugt, dass der zweite Teilstrom der in dem Wärmetauscher abgekühlten Luft in der zweiten Stufe der Antriebsturbine in einem zu der zweiten Stufe gehörenden Wärmetauscher Abgaswärme aufnimmt und/oder in einer Brennkammer Brennstoffwärme aufnimmt.in the With regard to the second stage of the power turbine, it is preferred that the second partial flow of the cooled in the heat exchanger Air in the second stage of the drive turbine in one to the second Stage belonging heat exchanger exhaust heat absorbs and / or in a combustion chamber fuel heat receives.

Ferner ist es denkbar, dass die in der zweiten Stufe der Antriebsturbine komprimierte und erwärmte Luft zu einem Expansionslaufrad der Antriebsturbine zugeführt wird, wobei eine Expansion und Abkühlung der in der zweiten Stufe der Antriebsturbine komprimierten und erwärmten Luft in dem Expansionslaufrad der Antriebsturbine erfolgt, und wobei durch die Expansion der in der zweiten Stufe der Antriebsturbine komprimierten und erwärmten Luft in dem Expansionslaufrad der Antriebsturbine mechanische Antriebsenergie erzeugt wird, die auf eine gemeinsame Welle zum Antrieb der Kompressionslaufräder der Wärmepumpe und der Antriebsturbine, sowie vorzugsweise zum Antrieb eines mit der gemeinsamen Welle verbundenen Starter-Generators übertragen wird.Further It is conceivable that in the second stage of the power turbine compressed and heated air to an expansion impeller the drive turbine is supplied, wherein an expansion and cooling the in the second stage of the drive turbine compressed and heated air in the expansion impeller the drive turbine takes place, and whereby by the expansion of in the second stage of the drive turbine compressed and heated Air in the expansion impeller of the power turbine mechanical drive power is generated on a common shaft for driving the compression wheels the heat pump and the power turbine, and preferably is transmitted to drive a connected to the common shaft starter generator.

Schließlich ist es bevorzugt, dass die durch Expansion und Abkühlung in dem Expansionslaufrad der Antriebsturbine vorzugsweise auf nahezu Umgebungsdruck entspannte und auf eine niedrige Temperatur gesenkte Luft als Abgasstrom einem zu der zweiten Stufe der Antriebsturbine gehörenden Wärmetauscher zum Vorwärmen des zweiten Teilstroms der im Kompressionslaufrad der Wärmepumpe verdichteten und erwärmten Luft in der zweiten Stufe der Antriebsturbine zugeführt wird.After all It is preferred that by expansion and cooling in the expansion impeller of the drive turbine preferably at almost Ambient pressure relaxed and lowered to a low temperature Air as the exhaust stream one to the second stage of the drive turbine belonging heat exchanger for preheating of the second partial flow of the compression impeller of the heat pump compressed and heated air in the second stage of the drive turbine is supplied.

Auch ist es denkbar, dass die durch Expansion und Abkühlung in dem Expansionslaufrad der Antriebsturbine vorzugsweise auf nahezu Umgebungsdruck entspannte und auf eine niedrige Temperatur gesenkte Luft als Abgasstrom einem Wärmetauscher zum Übertragen der Abgaswärme auf Heizungswasser oder einen anderen Wärmeträger zugeführt wird, wobei das erwärmte Heizungswasser oder der erwärmte andere Wärmeträger zum Vorwärmen der angesaugten Umgebungsluft verwendet wird.Also It is conceivable that by expansion and cooling in the expansion impeller of the drive turbine preferably at almost Ambient pressure relaxed and lowered to a low temperature Air as exhaust gas flow to a heat exchanger for transmission the exhaust heat on heating water or another heat transfer medium is supplied, wherein the heated heating water or the heated other heat transfer medium is used to preheat the sucked ambient air.

Hinsichtlich der Vorrichtung wird zur Lösung der zugrundeliegenden Aufgabe eine nach dem Wärmepumpenprinzip arbeitende Wärme- und Kälteerzeugungsanlage vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist: eine mit Luft als Arbeitsmittel im offenen Kreislauf betriebene Turbo-Wärmepumpe, welche ein Kompressionslaufrad und ein stromabwärts hiervon liegendes Expansionslaufrad aufweist, wobei die Wärmepumpe ausgelegt ist, Umgebungsluft anzusaugen und die angesaugte Umgebungsluft in dem Kompressionslaufrad der Wärmepumpe zu verdichten und zu erwärmen und eine komprimierte und erwärmte Luft zu erzeugen; einen ersten Wärmetauscher, welcher stromabwärts von dem Kompressionslaufrad der Wärmepumpe und stromaufwärts von dem Expansionslaufrad der Wärmepumpe angeordnet ist und mit einem ersten Ausgang der Wärmepumpe derart in Fluidkommunikation steht, dass eine im Kompressionslaufrad der Wärmepumpe komprimierte und erwärmte Luft dem ersten Wärmetauscher zugeführt wird; einen Strömungsverteiler, welcher stromabwärts von dem ersten Wärmetauscher angeordnet ist und mit dem Ausgang des ersten Wärmetauschers in Fluidkommunikation steht, wobei der Strömungsverteiler ausgelegt ist, eine in dem ersten Wärmetauscher abgekühlte Luft in einen ersten Teilstrom und in einen zweiten Teilstrom aufzuteilen, und wobei der Strömungsverteiler einen mit der Wärmepumpe verbundenen ersten Ausgang zum Zuführen des ersten Teilstroms zu dem Expansionslaufrad der Wärmepumpe und einen zweiten Ausgang zum Bereitstellen des zweiten Teilstroms aufweist; und eine stromabwärts des Strömungsverteilers angeordnete und mit Brennstoff und Luft betriebene Antriebsturbine, welche ein Kompressionslaufrad und ein stromabwärts hiervon liegendes Expansionslaufrad aufweist, wobei die Antriebsturbine derart mit dem Strömungsverteiler verbunden ist, dass der am zweiten Ausgang des Strömungsverteilers bereitgestellte zweite Teilstrom zunächst dem Kompressionslaufrad der Antriebsturbine und dann einer zweiten Stufe der Antriebsturbine zugeführt wird, wobei die Kompressionslaufräder und die Expansionslaufräder der Wärmepumpe und der Antriebsturbine über eine gemeinsame Welle miteinander wirkverbunden sind.With regard to the device is proposed to solve the underlying problem, a working on the heat pump principle heating and cooling system, wherein the device comprises: one with air as Arbeitsmit The invention relates to an open circuit turbo heat pump having a compression impeller and a downstream expansion impeller, the heat pump configured to draw in ambient air and to compress and heat the intake ambient air in the heat pump compression impeller and to generate compressed and heated air ; a first heat exchanger disposed downstream of the heat pump compression impeller and upstream of the heat pump expansion impeller and in fluid communication with a first output of the heat pump such that air compressed and heated in the compression impeller of the heat pump is supplied to the first heat exchanger; a flow distributor disposed downstream of the first heat exchanger and in fluid communication with the outlet of the first heat exchanger, the flow distributor configured to divide an air cooled in the first heat exchanger into a first partial flow and a second partial flow, and wherein the flow distributor a first output connected to the heat pump for supplying the first partial flow to the expansion impeller of the heat pump and a second outlet for providing the second partial flow; and a fuel and air driven power turbine disposed downstream of the flow distributor and having a compression impeller and an expansion impeller located downstream thereof, the power turbine being connected to the flow distributor such that the second fractional flow provided at the second output of the flow distributor is initially the compression impeller of the power turbine and then supplied to a second stage of the power turbine, wherein the compression and the expansion impellers of the heat pump and the power turbine are operatively connected to each other via a common shaft.

In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung ferner einen Starter-Motor aufweist, wobei die Kompressionslaufräder und die Expansionslaufräder der Wärmepumpe und der Antriebsturbine über die gemeinsame Welle mit der Welle des Starter-Motors drehverbunden sind.In a preferred embodiment of the invention Device is provided that the device further comprises a starter motor having the compression impellers and the expansion impellers the heat pump and the power turbine on the common shaft rotatably connected to the shaft of the starter motor are.

Im Hinblick auf den Starter-Motor ist bevorzugt, dass der Starter-Motor und die Vorrichtung derart ausgelegt sind, dass die Inbetriebnahme der Vorrichtung durch kurzzeitiges Einschalten des Starter-Motors erfolgt und bei Betrieb der Vorrichtung keine Leistungsabgabe des Starter-Motors erforderlich ist.in the Regarding the starter motor is preferred that the starter motor and the device is designed such that the commissioning the device by briefly switching on the starter motor takes place and when operating the device no power output of the Starter motor is required.

Andererseits ist es auch denkbar, dass der Starter-Motor als Starter-Generator ausgelegt ist und mit kleiner Leistung zum Aufladen eines Stromspeichers, beispielsweise eines Akkumulators, und/oder mit kleiner Leistung zum Antrieb einer oder mehrerer Heizungspumpen geeignet ist.on the other hand It is also conceivable that the starter motor as a starter generator is designed and with low power to charge a power storage, for example, a rechargeable battery, and / or low power suitable for driving one or more heating pumps.

Grundsätzlich sollte die Vorrichtung redundant aufgebaut sein und auch bei Strom-Ausfall durch Umschalten auf Akkubetrieb voll funktionsfähig bleiben.in principle the device should be redundant and also in case of power failure Switching to battery mode will remain fully functional.

In einer bevorzugten Realisierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist diese ferner einen zweiten Wärmetauscher auf, welcher stromaufwärts des Kompressionslaufrades der Wärmepumpe angeordnet und ausgelegt ist, die von der Wärmepumpe angesaugte Umgebungsluft durch Abgas aus der Antriebsturbine oder durch die Abluft einer Klimaanlage oder einer anderen geeigneten Wärmequelle vorzuwärmen oder die von der Wärmepumpe angesaugte Umgebungsluft durch Grundwasser, vorzugsweise Brunnenwasser, oder durch die gekühlte Abluft einer Klimaanlage oder einer anderen geeigneten Kältequelle vorzukühlen.In a preferred realization of the invention Device further has a second heat exchanger on which upstream of the Kompressionslaufrades the Heat pump is arranged and designed, sucked by the heat pump Ambient air due to exhaust gas from the drive turbine or through the Exhaust air from an air conditioner or other suitable heat source preheat or sucked by the heat pump ambient air by groundwater, preferably well water, or by the cooled Exhaust air from an air conditioner or other suitable source of cold pre-cool.

Noch bevorzugter weist die zweite Stufe der Antriebsturbine einen dritten Wärmetauscher auf, welcher ausgelegt ist, an den zweiten Teilstrom der in dem ersten Wärmetauscher abgekühlten Luft Abgaswärme abzugeben.Yet more preferably, the second stage of the power turbine has a third one Heat exchanger, which is designed to the second Partial flow of cooled in the first heat exchanger Air exhaust heat to give.

Ferner ist es denkbar, dass die zweite Stufe der Antriebsturbine eine Brennkammer aufweist, welche ausgelegt ist, an den zweiten Teilstrom der in dem ersten Wärmetauscher abgekühlten Luft Brennstoffwärme abzugeben.Further It is conceivable that the second stage of the power turbine is a combustion chamber which is designed to the second partial flow in the first heat exchanger cooled air fuel heat leave.

Besonders bevorzugt wird die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Zentral-Klimaanlage zur Erwärmung und Kühlung von Luft verwendet. Andererseits ist es auch denkbar, die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Zentral-Klimaanlage zur Kühlung von Luft einzusetzen, wobei der dem Expansionslaufrad der Wärmepumpe zugeführte ersten Teilstrom nach seiner Expansion und Abkühlung in dem Expansionslaufrad der Wärmepumpe als kalter Abluftstrom in der Zentral-Klimaanlage zur Kühlung von Luft ohne zusätzlichen Wärmetauscher direkt mit der zu kühlenden Luft vermischt wird. Selbstverständlich ist es aber auch denkbar die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Zentral-Klimaanlage zur Erwärmung von Luft zu verwenden, wobei in der Zentral-Klimaanlage ohne Zwischenschaltung eines Warmwasserkreislaufs die zu erwärmende Luft ganz oder teilweise durch den ersten Wärmetauscher und/oder einen vierten Wärmetauscher geführt und dabei erwärmt wird, wobei die durch Expansion und Abkühlung in dem Expansionslaufrad der Antriebsturbine vorzugsweise auf nahezu Umgebungsdruck entspannte und auf eine niedrige Temperatur gesenkte Luft als Abgasstrom dem vierten Wärmetauscher zum Übertragen der Abgaswärme auf die zu erwärmende Luft zugeführt wird.The device according to the invention is particularly preferably used in a central air conditioning system for heating and cooling air. On the other hand, it is also conceivable to use the device according to the invention in a central air conditioning system for cooling air, wherein the expansion impeller of the heat pump supplied first partial flow after its expansion and cooling in the expansion impeller of the heat pump as a cold exhaust air flow in the central air conditioning for cooling Air is mixed without additional heat exchanger directly with the air to be cooled. Of course, it is also conceivable to use the device according to the invention in a central air conditioning system for heating air, wherein in the central air conditioning without interposition of a hot water circuit, the air to be heated is completely or partially guided through the first heat exchanger and / or a fourth heat exchanger and is heated, wherein the expansion and cooling in the expansion impeller of the drive turbine preferably relaxed to near ambient pressure and lowered to a low temperature air as the exhaust gas flow to the fourth heat exchanger to the Übertra gen the exhaust heat is supplied to the air to be heated.

Insbesondere ist es bevorzugt, die erfindungsgemäße Vorrichtung als "Back-System" zur Unterstützung einer Solar-Kältemaschine einzusetzen, wenn die Sonnen-Einstrahlung nicht ausreicht oder ganz fehlt. Andererseits kann die Vorrichtung aber auch als Kältemaschine verwendet werden, wobei die mit dem ersten Wärmetauscher bewirkte Rückkühlung der im Kompressionslaufrad der Wärmepumpe komprimierten und erwärmten Luft durch kaltes Brunnenwasser oder ein anderes kühles Wärmeträgermedium erfolgt.Especially it is preferred that the device according to the invention as a "back-system" to support a solar chiller to use if the solar radiation is insufficient or completely is missing. On the other hand, the device can also be used as a chiller be used, with the first heat exchanger caused re-cooling of the compression impeller the heat pump compressed and heated air by cold well water or another cool heat transfer medium he follows.

Der Gesamtwirkungsgrad einer solchen Wärme- und Kälteerzeugungs-Anlage kann durch die gleichzeitige Nutzung der erzeugten Wärme- und Kälteenergie noch deutlich gesteigert werden.Of the Overall efficiency of such a heat and cooling plant can be achieved by the simultaneous use of the generated heat and cooling energy can be significantly increased.

Je nachdem, ob der Schwerpunkt der Betriebsweise dieser Wärme- und Kälteerzeugungsanlage auf der Bereitstellung von Wärme oder von Kälte liegt, soll die Anlage modifiziert oder umgeschaltet werden können.ever according to whether the focus of the operation of this heat and refrigeration plant on the provision of heat or from cold, the plant should be modified or can be switched.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lösung anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert.in the The following are preferred embodiments of the invention Solution explained with reference to the accompanying drawings.

Es zeigen:It demonstrate:

1 die Funktionsweise einer ersten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärme- und Kälteerzeugungsanlage; 1 the operation of a first preferred embodiment of the heat and cold generation plant according to the invention;

2 die Funktionsweise einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärme- und Kälteerzeugungsanlage; 2 the operation of a second preferred embodiment of the heat and cold generation plant according to the invention;

3 die Funktionsweise einer dritten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärme- und Kälteerzeugungsanlage; 3 the operation of a third preferred embodiment of the heat and cold generation plant according to the invention;

4 die Funktionsweise einer vierten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärme- und Kälteerzeugungsanlage; und 4 the operation of a fourth preferred embodiment of the heat and cold generation plant according to the invention; and

5 die Funktionsweise einer fünften bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärme- und Kälteerzeugungsanlage. 5 the operation of a fifth preferred embodiment of the heat and cold generation plant according to the invention.

In 1 ist das Grundprinzip der Wärme- und Kälteerzeugungsanlage nach der vorliegenden Erfindung dargestellt.In 1 is the basic principle of the heat and cooling plant according to the present invention shown.

In der Turbo-Wärmepumpe (70) wird Umgebungsluft (3) mit Umgebungstemperatur und Umgebungsdruck angesaugt, im Kompressions-Laufrad (4) der Turbo-Wärmepumpe (70) wird diese Umgebungsluft (3) komprimiert und dabei auf höhere Temperatur und höheren Druck gebracht. Anschließend wird diese komprimierte und erwärmte Umgebungsluft (5) im Wärmetauscher (6) unter Abgabe von Nutzwärme wieder teilweise zurückgekühlt.In the turbo heat pump ( 70 ) ambient air ( 3 ) with ambient temperature and ambient pressure, in the compression impeller ( 4 ) of the turbo heat pump ( 70 ) this ambient air ( 3 ) and thereby brought to a higher temperature and higher pressure. Subsequently, this compressed and heated ambient air ( 5 ) in the heat exchanger ( 6 ) Partially cooled back under release of useful heat.

Ein Teil (7) dieser vorverdichteten und zwischengekühlten Umgebungsluft wird dem Expansions-Laufrad (8) der Turbo-Wärmepumpe (70) zugeführt und dort unter Erzeugung von mechanischer Antriebsenergie auf etwa Umgebungsdruck entspannt und unter die Umgebungstemperatur abgekühlt. Die kalte Abluft (9) kann für Kühlzwecke eingesetzt werden. Die erzeugte mechanische Antriebsenergie wird auf die gemeinsame Welle (40) übertragen und dient dabei zur Unterstützung beim Antrieb der Kompressions-Laufräder (4) und (11).A part ( 7 ) of this precompressed and intercooled ambient air is the expansion impeller ( 8th ) of the turbo heat pump ( 70 ) and there relaxed to produce about mechanical drive energy to about ambient pressure and cooled below the ambient temperature. The cold exhaust air ( 9 ) can be used for cooling purposes. The generated mechanical drive energy is applied to the common shaft ( 40 ) and thereby helps to drive the compression wheels ( 4 ) and ( 11 ).

Der zweite Teil (10) dieser vorverdichteten und zwischengekühlten Umgebungsluft wird dem Kompressions-Laufrad (11) der Antriebsturbine (60) zugeführt und dort auf einen wesentlich höheren Druck und auf eine höhere Temperatur gebracht.The second part ( 10 ) of this precompressed and intercooled ambient air is the compression impeller ( 11 ) of the drive turbine ( 60 ) and brought there to a much higher pressure and to a higher temperature.

Das Verdichtungsverhältnis wird also durch diese zweite Kompression erheblich gesteigert. Dies ist auch die Voraussetzung für eine deutliche Steigerung der im Expansions-Laufrad (17) der Antriebsturbine (60) erzeugten mechanischen Antriebsenergie, die auf die gemeinsame Welle (40) zum Antrieb der Kompressions-Laufräder (4) und (11) übertragen werden kann.The compression ratio is thus significantly increased by this second compression. This is also the prerequisite for a significant increase in the expansion impeller ( 17 ) of the drive turbine ( 60 ) generated mechanical drive energy, which on the common shaft ( 40 ) for driving the compression wheels ( 4 ) and ( 11 ) can be transmitted.

Einen zusätzlichen Vorteil in zweifacher Hinsicht bietet die Zwischenkühlung im Wärmetauscher (6):
Zum einen kann aus dem Wärmetauscher (6) Nutz-Wärme abgeführt werden, zum anderen wird durch die Zwischenkühlung die Kompressionsarbeit im Kompressions-Laufrad (11) verringert, wodurch für die Kompressionsarbeit im Kompressions-Laufrad (4) mehr Antriebsenergie übrig bleibt.
An additional advantage in two ways, the intermediate cooling in the heat exchanger ( 6 ):
For one thing, from the heat exchanger ( 6 ) Nutz-heat are dissipated, on the other hand by the intermediate cooling, the compression work in the compression impeller ( 11 ), resulting in compression work in the compression impeller ( 4 ) more drive energy remains.

Dieses in 1 dargestellte Grundprinzip der Wärme- und Kälteerzeugungsanlage nach der ersten Ausführungsform kann durch geeignete Anordnung von zusätzlichen Wärmetauschern verbessert werden.This in 1 illustrated basic principle of the heat and cold generating plant according to the first embodiment can be improved by a suitable arrangement of additional heat exchangers.

In den 2, 3, 4 und 5 sind solche Beispiele dargestellt. Bei allen vier Beispielen wird durch einen Wärmetauscher (13) vom Abgasstrom (18) nach dem Austritt aus dem Expansions-Laufrad (17) Wärme auf den Teilstrom (12) der zweifach komprimierten Luft übertragen. Dadurch vermindert sich die Brennstoffmenge, die zur Erwärmung der zweifach komprimierten Luft vor Eintritt in das Expansions-Laufrad (17) der Antriebsturbine (60) erforderlich ist.In the 2 . 3 . 4 and 5 such examples are shown. In all four examples, a heat exchanger ( 13 ) from the exhaust stream ( 18 ) after exiting the expansion impeller ( 17 ) Heat on the partial flow ( 12 ) of the doubly compressed air. This reduces the amount of fuel required to heat the double-compressed air before entering the expansion impeller (FIG. 17 ) of the drive turbine ( 60 ) is required.

Gemäß 2 und 3 ist nach dem Austritt des Abgasstroms aus dem Wärmetauscher (13) die Temperatur des Abgasstroms (18) noch relativ hoch, so dass im Wärmetauscher (20) Nutzwärme über einen Wärmeträger (Heizungswasser) an einen Verbraucher abgeführt werden kann.According to 2 and 3 is after the exit of the exhaust gas flow from the heat exchanger ( 13 ) the temperature of the exhaust gas stream ( 18 ) is still relatively high, so that in the heat exchanger ( 20 ) Useful heat can be dissipated via a heat transfer medium (heating water) to a consumer.

Gemäß 3 enthält selbst nach dem Wärmetauscher (20) der Abgasstrom (21) noch eine gewisse Restwärme, die über den Wärmetauscher (2) zur Vorwärmung der angesaugten Umgebungsluft fast vollständig übertragen werden kann.According to 3 contains even after the heat exchanger ( 20 ) the exhaust gas flow ( 21 ) still a certain amount of residual heat that flows through the heat exchanger ( 2 ) can be almost completely transferred to preheat the sucked ambient air.

In 4 ist eine erfindungsgemäße Kälteerzeugungsanlage nach dem Wärmepumpenprinzip dargestellt, die weniger der Wärmeerzeugung als vielmehr der Kälteerzeugung dienen soll.In 4 a refrigeration plant according to the invention is shown according to the heat pump principle, which is to serve less of heat generation than the refrigeration.

Der Wärmetauscher (6) zur Rückkühlung der im Kompressions-Laufrad (4) komprimierten und erwärmten Luft (5) ist wichtiger Bestandteil der Kälteerzeugungsanlage. Der Luftstrom (5) soll so weit wie möglich heruntergekühlt werden, um die Temperatur der kalten Abluft (9) noch weiter zu senken, also die Nutz-Kälte-Leistung zu vergrößern.The heat exchanger ( 6 ) for re-cooling the in the compression impeller ( 4 ) compressed and heated air ( 5 ) is an important part of the refrigeration system. The airflow ( 5 ) should be cooled down as far as possible to reduce the temperature of the cold exhaust air ( 9 ) To further reduce, so to increase the useful-cooling power.

Vorteilhaft für eine Rückkühlung im Wärmetauscher (6) ist hier der Einsatz von kaltem Brunnenwasser oder Grundwasser (30) und (32). Außerdem wird auf die Vorwärmung der angesaugten Umgebungsluft (1b) verzichtet. Dadurch ist das Temperaturniveau in der ganzen Anlage niedriger und die Nutz-Kälte-Leistung größer.Advantageous for recooling in the heat exchanger ( 6 ) is the use of cold well water or groundwater ( 30 ) and ( 32 ). In addition, the preheating of the intake ambient air ( 1b ) waived. As a result, the temperature level in the whole system is lower and the useful cooling performance is greater.

5 zeigt eine erfindungsgemäße Kälteerzeugungsanlage, bei der gegenüber der 4 zusätzlich eine Vorkühlung der angesaugten Umgebungsluft (1b) mit Brunnenwasser oder Grundwasser (30) und (32) vorgesehen ist. 5 shows a refrigeration system according to the invention, in which compared to the 4 additionally a pre-cooling of the sucked ambient air ( 1b ) with well water or groundwater ( 30 ) and ( 32 ) is provided.

Besonders vorteilhaft ist eine Vorkühlung der angesaugten Umgebungsluft (1b), um die Kompressionsarbeit im Kompressions-Laufrad (4) zu reduzieren und den eingesaugten Luft-Massenstrom (1b) zu vergrößern. Durch diese Vorkühlung im Wärmetauscher (2) mit Brunnenwasser oder Grundwasser (30) und (32) wird das Temperaturniveau in der ganzen Anlage niedriger und die Nutz-Kälte-Leistung größer.Particularly advantageous is a pre-cooling of the sucked ambient air ( 1b ), the compression work in the compression impeller ( 4 ) and the sucked in air mass flow ( 1b ) to enlarge. Due to this precooling in the heat exchanger ( 2 ) with well water or groundwater ( 30 ) and ( 32 ), the temperature level in the entire system is lower and the useful-cooling power greater.

Die Erfindung ist nicht auf die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr sind jedwede Kombinationen der hierin offenbarten Einzelmerkmale denkbar.The The invention is not limited to the embodiments shown in the drawings limited. Rather, any combinations are herein disclosed individual features conceivable.

1a1a
Ansaugluft ohne Vorwärmung oder Vorkühlung 1b Ansaugluft mit Vorwärmung oder VorkühlungIntake air without preheating or pre-cooling 1b Intake air with preheating or pre-cooling
22
Wärmetauscherheat exchangers
33
Lufteintritt in Kompressionslaufrad 4 Air inlet in compression impeller 4
44
Kompressionslaufrad der Turbowärmepumpe 70 Compression impeller of turbo heat pump 70
55
Luftaustritt aus Kompressionslaufrad 4 Air outlet from compression impeller 4
66
Wärmetauscherheat exchangers
6a6a
im Wärmetauscher 6 komprimierter und zwischengekühlter Gesamt-Luftstromin the heat exchanger 6 compressed and intercooled total airflow
77
komprimierter und zwischengekühlter Teilstromcompressed and intercooled partial flow
88th
Expansionslaufrad der Turbowärmepumpe 70 Expansion impeller of turbo heat pump 70
99
kalte Abluft (Nutzkälte)cold Exhaust air (useful cold)
1010
komprimierter und zwischengekühlter Teilstromcompressed and intercooled partial flow
1111
Kompressionslaufrad der Antriebsturbine 60 Compression impeller of the drive turbine 60
1212
im Kompressionslaufrad 12 als zweiter Stufe komprimierter Teilstromin the compression impeller 12 second stage compressed partial flow
1313
Wärmetauscherheat exchangers
1414
im Wärmetauscher 13 erwärmter Teilstromin the heat exchanger 13 heated partial flow
1515
Brennkammercombustion chamber
15a15a
Brennstoff-ZufuhrFuel supply
1616
erhitzte Verbrennungsgaseheated combustion gases
1717
Expansionslaufrad der Antriebsturbine 60 Expansion impeller of the drive turbine 60
1818
expandierte und teilweise gekühlte Turbinen-Abgaseexpanded and partially cooled turbine exhaust
1919
im Wärmetauscher 13 weiter abgekühlte Turbinen-Abgasein the heat exchanger 13 further cooled turbine exhaust
2020
Wärmetauscher zur Nutzwärme-Abgabe an einen Heizkreislaufheat exchangers for useful heat delivery to a heating circuit
2121
im Wärmetauscher 20 weiter abgekühlte Turbinen-Abgasein the heat exchanger 20 further cooled turbine exhaust
2222
im Wärmetauscher weiter abgekühlte Turbinen-Abgasein the Heat exchanger further cooled turbine exhaust
2323
Strömungs-Verteiler zur Aufteilung des Gesamt-Luftstroms 6a in zwei TeilströmeFlow distributor for the distribution of the total air flow 6a in two sub-streams
3030
Wärme-aufnehmendes Medium aus Heizungsrücklauf oder BrunnenHeat-receiving Medium from heating return or well
3131
im Wärmetauscher 6 erwärmtes Mediumin the heat exchanger 6 heated medium
3232
im Wärmetauscher 20 erwärmtes Medium für Heizungsvorlauf oder Brunnenin the heat exchanger 20 heated medium for heating flow or well
4040
gemeinsame Wellecommon wave
5050
Starter-GeneratorStarter-generator
6060
Antriebsturbinepower turbine
7070
Turbo-WärmepumpeTurbo heat pump

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - DE 2818543 A1 [0005, 0007] DE 2818543 A1 [0005, 0007]

Claims (26)

Verfahren zur Erzeugung von Nutz-Wärme und/oder Nutz-Kälte mit einer Wärme- und Kälteerzeugungsanlage, welche nach dem Wärmepumpenprinzip arbeitet und eine mit Brennstoff und Luft betriebene Antriebsturbine (60) und eine mit Luft als Arbeitsmittel im offenen Kreislauf betriebene Turbo-Wärmepumpe (70) aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweist: a) Ansaugen von Umgebungsluft (1a, 1b, 3) mit der Turbo-Wärmepumpe (70), wobei während des Ansaugens der Umgebungsluft (1a, 3) diese in einem Kompressionslaufrad (4) der Wärmepumpe (70) verdichtet und erwärmt und eine komprimierte und erwärmte Luft (5) erzeugt wird; b) Abkühlen der im Kompressionslaufrad (4) der Wärmepumpe (70) verdichteten und erwärmten Luft (5) in einem Wärmetauscher (6) unter Abgabe von Nutzwärme, die einem Verbraucher zugeführt wird; c) Aufteilen der in dem Wärmetauscher (6) abgekühlten Luft (6a) in einen ersten Teilstrom (7) und in einen zweiten Teilstrom (10); d) Zuführen des ersten Teilstroms (7) zu einem Expansionslaufrad (8) der Wärmepumpe (70) und Expansion und Abkühlung des ersten Teilstroms (7) in dem Expansionslaufrad (8) der Wärmepumpe (70), wobei anschließend der abgekühlte und expandierte erste Teilstrom (7) einem Kälteverbraucher als Nutzkälte (9) zugeführt wird; und e) Zuführen des zweiten Teilstroms (10) zu einem Kompressionslaufrad (11) der Antriebsturbine (60), wobei der zweite Teilstrom (10) der im Kompressionslaufrad (4) der Wärmepumpe (70) verdichteten und erwärmten Luft (5) in einer zweiten Stufe (11, 13, 15) der Antriebsturbine (60) im Vergleich zu der während des Ansaugens der Umgebungsluft (3) im Kompressionslaufrad (4) der Wärmepumpe (70) verdichteten und erwärmten Luft (5) wesentlich höher komprimiert und erwärmt wird.Method for generating useful heat and / or useful refrigeration with a heat and cold generation plant, which operates on the heat pump principle and a fuel and air driven power turbine ( 60 ) and a turbo-heat pump operated with air as an open-circuit fluid ( 70 ), the method comprising the following method steps: a) aspiration of ambient air ( 1a . 1b . 3 ) with the turbo heat pump ( 70 ), during the intake of ambient air ( 1a . 3 ) these in a compression impeller ( 4 ) of the heat pump ( 70 ) and heated and a compressed and heated air ( 5 ) is produced; b) cooling the in the compression impeller ( 4 ) of the heat pump ( 70 ) compressed and heated air ( 5 ) in a heat exchanger ( 6 ) with release of useful heat, which is supplied to a consumer; c) splitting the in the heat exchanger ( 6 ) cooled air ( 6a ) into a first substream ( 7 ) and into a second partial flow ( 10 ); d) supplying the first substream ( 7 ) to an expansion impeller ( 8th ) of the heat pump ( 70 ) and expansion and cooling of the first partial flow ( 7 ) in the expansion impeller ( 8th ) of the heat pump ( 70 ), in which case the cooled and expanded first substream ( 7 ) a cold consumer as Nutzkälte ( 9 ) is supplied; and e) supplying the second substream ( 10 ) to a compression impeller ( 11 ) of the drive turbine ( 60 ), wherein the second partial flow ( 10 ) in the compression impeller ( 4 ) of the heat pump ( 70 ) compressed and heated air ( 5 ) in a second stage ( 11 . 13 . 15 ) of the drive turbine ( 60 ) compared to that during the intake of ambient air ( 3 ) in the compression impeller ( 4 ) of the heat pump ( 70 ) compressed and heated air ( 5 ) is compressed much higher and heated. Verfahren nach Anspruch 1, wobei im Verfahrensschritt a) die mit der Turbo-Wärmepumpe (60) anzusaugende Umgebungsluft (1a, 3) in einem offenen Kreislauf ohne Vorwärmung oder Vorkühlung der Umgebung mit Umgebungstemperatur und Umgebungsdruck entnommen wird.The method of claim 1, wherein in step a) the with the turbo heat pump ( 60 ) to be sucked in ambient air ( 1a . 3 ) is taken in an open circuit without preheating or precooling the environment with ambient temperature and pressure. Verfahren nach Anspruch 1, wobei im Verfahrensschritt a) die Luft (1b, 3) in einem offenen Kreislauf der Umgebung mit Umgebungstemperatur und Umgebungsdruck entnommen wird, und wobei der Verfahrensschritt a) ferner den Verfahrensschritt des Vorwärmens der Umgebungsluft (1b) in einem Wärmetauscher (2) durch Abgas (21) aus der Antriebsturbine (60) oder durch die Abluft einer Klimaanlage oder einer anderen geeigneten Wärmequelle aufweist.Process according to claim 1, wherein in process step a) the air ( 1b . 3 ) is taken in an open circuit environment with ambient temperature and pressure, and wherein the method step a) further comprises the step of preheating the ambient air ( 1b ) in a heat exchanger ( 2 ) by exhaust gas ( 21 ) from the drive turbine ( 60 ) or through the exhaust air of an air conditioner or other suitable heat source. Verfahren nach Anspruch 1, wobei im Verfahrensschritt a) die Luft (1b, 3) in einem offenen Kreislauf der Umgebung mit Umgebungstemperatur und Umgebungsdruck entnommen wird, und wobei der Verfahrensschritt a) ferner den Verfahrensschritt des Vorkühlens der Umgebungsluft (1a) in einem Wärmetauscher (2) durch Grundwasser, vorzugsweise Brunnenwasser, oder durch die gekühlte Abluft einer Klimaanlage oder einer anderen geeigneten Kältequelle aufweist.Process according to claim 1, wherein in process step a) the air ( 1b . 3 ) is taken in an open circuit environment with ambient temperature and pressure, and wherein the method step a) further comprises the step of precooling the ambient air ( 1a ) in a heat exchanger ( 2 ) by groundwater, preferably well water, or by the cooled exhaust air of an air conditioner or other suitable source of cold has. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Verfahrensschritt a) die Luft (1a) im Kompressionslaufrad (4) verdichtet und dadurch erwärmt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein in process step a) the air ( 1a ) in the compression impeller ( 4 ) is compressed and thereby heated. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Verfahrensschritt b) die im Wärmetauscher (6) abgeführte Wärme dem Verbraucher für Heizzwecke zugeführt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein in the process step b) in the heat exchanger ( 6 ) dissipated heat is supplied to the consumer for heating purposes. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Verfahrensschritt c) die in dem Wärmetauscher (6) abgekühlten Luft (6a) durch einen verstellbaren Strömungsverteiler (23) in die beiden Teilströme (7) und (10) derart aufgeteilt wird, dass die Aufteilung der abgekühlten Luft (6a) veränderbar ist.Method according to one of the preceding claims, wherein in the process step c) in the heat exchanger ( 6 ) cooled air ( 6a ) by an adjustable flow distributor ( 23 ) into the two partial streams ( 7 ) and ( 10 ) is divided so that the division of the cooled air ( 6a ) is changeable. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Verfahrensschritt d) der erste Teilstrom (7) im Expansionslaufrad (8) auf etwa Umgebungsdruck entspannt und dadurch unter die Umgebungstemperatur abgekühlt wird, und wobei die dadurch entstehende kalte Abluft (9) für Kühlzwecke genutzt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein in step d) the first partial flow ( 7 ) in the expansion impeller ( 8th ) is relaxed to about ambient pressure and thereby cooled below the ambient temperature, and wherein the resulting cold exhaust air ( 9 ) is used for cooling purposes. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Verfahrensschritt d) durch die Expansion des ersten Teilstroms (7) im Expansionslaufrad (8) mit dem Expansionslaufrad (8) mechanische Antriebsenergie erzeugt wird, die auf eine gemeinsame Welle (40) zum Antrieb der Kompressionslaufräder (4, 11) der Wärmepumpe (4) und der Antriebsturbine (60), sowie vorzugsweise zum Antrieb eines mit der gemeinsamen Welle (40) verbundenen Starter-Generators (50) übertragen wird.Method according to one of the preceding claims, wherein in step d) by the expansion of the first partial flow ( 7 ) in the expansion impeller ( 8th ) with the expansion impeller ( 8th ) mechanical drive energy is generated, which is based on a common shaft ( 40 ) for driving the compression impellers ( 4 . 11 ) of the heat pump ( 4 ) and the drive turbine ( 60 ), and preferably for driving one with the common shaft ( 40 ) associated starter generator ( 50 ) is transmitted. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Verfahrensschritt e) der zweite Teilstrom (10) der in dem Wärmetauscher (6) abgekühlten Luft (6a) in der zweiten Stufe der Antriebsturbine (60) in einem zu der zweiten Stufe gehörenden Wärmetauscher (13) Abgaswärme aufnimmt und/oder in einer Brennkammer (15) Brennstoffwärme aufnimmt.Method according to one of the preceding claims, wherein in step e) of the second partial flow ( 10 ) in the heat exchanger ( 6 ) cooled air ( 6a ) in the second stage of the power turbine ( 60 ) in a heat exchanger associated with the second stage ( 13 ) Receives exhaust heat and / or in a combustion chamber ( 15 ) Absorbs fuel heat. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches nach Verfahrensschritt e) die folgenden weiteren Verfahrensschritte aufweist: f) Zuführen der in der zweiten Stufe (11, 15) der Antriebsturbine (60) komprimierten und erwärmten Luft (16) zu einem Expansionslaufrad (17) der Antriebsturbine (60) und Expansion und Abkühlung der in der zweiten Stufe (11, 15) der Antriebsturbine (60) komprimierten und erwärmten Luft (16) in dem Expansionslaufrad (17) der Antriebsturbine (60), wobei durch die Expansion der in der zweiten Stufe (11, 15) der Antriebsturbine (60) komprimierten und erwärmten Luft (16) in dem Expansionslaufrad (17) der Antriebsturbine (60) mechanische Antriebsenergie erzeugt wird, die auf eine gemeinsame Welle (40) zum Antrieb der Kompressionslaufräder (4, 11) der Wärmepumpe (4) und der Antriebsturbine (60), sowie vorzugsweise zum Antrieb eines mit der gemeinsamen Welle (40) verbundenen Starter-Generators (50) übertragen wird.Method according to one of the preceding claims, which after method step e) comprises the following further method steps: f) feeding in the second stage ( 11 . 15 ) the on power turbine ( 60 ) compressed and heated air ( 16 ) to an expansion impeller ( 17 ) of the drive turbine ( 60 ) and expansion and cooling in the second stage ( 11 . 15 ) of the drive turbine ( 60 ) compressed and heated air ( 16 ) in the expansion impeller ( 17 ) of the drive turbine ( 60 ), whereby the expansion of the second stage ( 11 . 15 ) of the drive turbine ( 60 ) compressed and heated air ( 16 ) in the expansion impeller ( 17 ) of the drive turbine ( 60 ) mechanical drive energy is generated, which is based on a common shaft ( 40 ) for driving the compression impellers ( 4 . 11 ) of the heat pump ( 4 ) and the drive turbine ( 60 ), and preferably for driving one with the common shaft ( 40 ) associated starter generator ( 50 ) is transmitted. Verfahren nach Anspruch 11, wobei im Verfahrensschritt f) die durch Expansion und Abkühlung in dem Expansionslaufrad (17) der Antriebsturbine (60) vorzugsweise auf nahezu Umgebungsdruck entspannte und auf eine niedrige Temperatur gesenkte Luft als Abgasstrom (18) einem zu der zweiten Stufe (11, 13, 15) der Antriebsturbine (60) gehörenden Wärmetauscher (13) zum Vorwärmen des zweiten Teilstroms (10) der im Kompressionslaufrad (4) der Wärmepumpe (70) verdichteten und erwärmten Luft (5) in der zweiten Stufe (11, 13, 15) der Antriebsturbine (60) zugeführt wird.A method according to claim 11, wherein in step f) the expansion and cooling in the expansion impeller ( 17 ) of the drive turbine ( 60 ) preferably relaxed to near ambient pressure and lowered to a low temperature air as exhaust gas flow ( 18 ) one to the second stage ( 11 . 13 . 15 ) of the drive turbine ( 60 ) associated heat exchanger ( 13 ) for preheating the second partial flow ( 10 ) in the compression impeller ( 4 ) of the heat pump ( 70 ) compressed and heated air ( 5 ) in the second stage ( 11 . 13 . 15 ) of the drive turbine ( 60 ) is supplied. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei im Verfahrensschritt f) die durch Expansion und Abkühlung in dem Expansionslaufrad (17) der Antriebsturbine (60) vorzugsweise auf nahezu Umgebungsdruck entspannte und auf eine niedrige Temperatur gesenkte Luft als Abgasstrom (18) einem Wärmetauscher (20) zum Übertragen der Abgaswärme auf Heizungswasser (32) oder einen anderen Wärmeträger zugeführt wird, und wobei das erwärmte Heizungswasser (32) oder der erwärmte andere Wärmeträger im Verfahrensschritt a) zum Vorwärmen der angesaugten Umgebungsluft (1a, 1b, 3) verwendet wird.A method according to claim 11 or 12, wherein in step f) the expansion and cooling in the expansion impeller ( 17 ) of the drive turbine ( 60 ) preferably relaxed to near ambient pressure and lowered to a low temperature air as exhaust gas flow ( 18 ) a heat exchanger ( 20 ) for transferring the waste heat to heating water ( 32 ) or another heat transfer medium, and wherein the heated heating water ( 32 ) or the heated other heat carrier in process step a) for preheating the sucked ambient air ( 1a . 1b . 3 ) is used. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere eine nach dem Wärmepumpenprinzip arbeitende Wärme- und Kälteerzeugungsanlage, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist: – eine mit Luft als Arbeitsmittel im offenen Kreislauf betriebene Turbo-Wärmepumpe (70), welche ein Kompressionslaufrad (4) und ein stromabwärts hiervon liegendes Expansionslaufrad (8) aufweist, wobei die Wärmepumpe (70) ausgelegt ist, Umgebungsluft (1a, 1b, 3) anzusaugen und die angesaugte Umgebungsluft (1a, 3) in dem Kompressionslaufrad (4) der Wärmepumpe (70) zu verdichten und zu erwärmen und eine komprimierte und erwärmte Luft (5) zu erzeugen; – einen ersten Wärmetauscher (6), welcher stromabwärts von dem Kompressionslaufrad (4) der Wärmepumpe (70) und stromaufwärts von dem Expansionslaufrad (8) der Wärmepumpe (70) angeordnet ist und mit einem ersten Ausgang (5) der Wärmepumpe (70) derart in Fluidkommunikation steht, dass eine im Kompressionslaufrad (4) der Wärmepumpe (70) komprimierte und erwärmte Luft (5) dem ersten Wärmetauscher (6) zugeführt wird; – einen Strömungsverteiler (23), welcher stromabwärts von dem ersten Wärmetauscher (6) angeordnet ist und mit dem Ausgang des ersten Wärmetauschers (6) in Fluidkommunikation steht, wobei der Strömungsverteiler (23) ausgelegt ist, eine in dem ersten Wärmetauscher (6) abgekühlte Luft (6a) in einen ersten Teilstrom (7) und in einen zweiten Teilstrom (10) aufzuteilen, und wobei der Strömungsverteiler (23) einen mit der Wärmepumpe (70) verbundenen ersten Ausgang zum Zuführen des ersten Teilstroms (7) zu dem Expansionslaufrad (8) der Wärmepumpe (70) und einen zweiten Ausgang zum Bereitstellen des zweiten Teilstroms (10) aufweist; und – eine stromabwärts des Strömungsverteilers (23) angeordnete und mit Brennstoff und Luft betriebene Antriebsturbine (60), welche ein Kompressionslaufrad (11) und ein stromabwärts hiervon liegendes Expansionslaufrad (17) aufweist, wobei die Antriebsturbine (60) derart mit dem Strömungsverteiler (23) verbunden ist, dass der am zweiten Ausgang des Strömungsverteilers (23) bereitgestellte zweite Teilstrom (10) zunächst dem Kompressionslaufrad (11) der Antriebsturbine (60) und dann einer zweiten Stufe (11, 13, 15) der Antriebsturbine (60) zugeführt wird, wobei die Kompressionslaufräder (4, 11) und die Expansionslaufräder (8, 17) der Wärmepumpe (70) und der Antriebsturbine (60) über eine gemeinsame Welle (40) miteinander wirkverbunden sind.Device for carrying out the method according to one of the preceding claims, in particular a working according to the heat pump principle heat and cold generating plant, the device comprising: - operated with air as a working fluid in the open circuit turbo heat pump ( 70 ), which is a compression impeller ( 4 ) and a downstream therefrom expansion impeller ( 8th ), wherein the heat pump ( 70 ), ambient air ( 1a . 1b . 3 ) and the sucked in ambient air ( 1a . 3 ) in the compression impeller ( 4 ) of the heat pump ( 70 ) and a compressed and heated air ( 5 ) to create; A first heat exchanger ( 6 ), which downstream of the compression impeller ( 4 ) of the heat pump ( 70 ) and upstream of the expansion impeller ( 8th ) of the heat pump ( 70 ) and with a first output ( 5 ) of the heat pump ( 70 ) is in fluid communication such that one in the compression impeller ( 4 ) of the heat pump ( 70 ) compressed and heated air ( 5 ) the first heat exchanger ( 6 ) is supplied; A flow distributor ( 23 ), which downstream of the first heat exchanger ( 6 ) is arranged and with the output of the first heat exchanger ( 6 ) is in fluid communication, the flow distributor ( 23 ), one in the first heat exchanger ( 6 ) cooled air ( 6a ) into a first substream ( 7 ) and into a second partial flow ( 10 ), and wherein the flow distributor ( 23 ) one with the heat pump ( 70 ) connected first output for supplying the first partial flow ( 7 ) to the expansion impeller ( 8th ) of the heat pump ( 70 ) and a second output for providing the second partial flow ( 10 ) having; and - a downstream of the flow distributor ( 23 ) and powered by fuel and air power turbine ( 60 ), which is a compression impeller ( 11 ) and a downstream therefrom expansion impeller ( 17 ), wherein the drive turbine ( 60 ) in such a way with the flow distributor ( 23 ), that at the second outlet of the flow distributor ( 23 ) provided second partial flow ( 10 ) first the compression impeller ( 11 ) of the drive turbine ( 60 ) and then a second stage ( 11 . 13 . 15 ) of the drive turbine ( 60 ), the compression impellers ( 4 . 11 ) and the expansion impellers ( 8th . 17 ) of the heat pump ( 70 ) and the drive turbine ( 60 ) about a common wave ( 40 ) are operatively connected to each other. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Vorrichtung ferner einen Starter-Motor (50) aufweist, und wobei die Kompressionslaufräder (4, 11) und die Expansionslaufräder (8, 17) der Wärmepumpe (70) und der Antriebsturbine (60) über die gemeinsame Welle (40) mit der Welle des Starter-Motors (50) drehverbunden sind.Apparatus according to claim 14, wherein the apparatus further comprises a starter motor ( 50 ), and wherein the compression impellers ( 4 . 11 ) and the expansion impellers ( 8th . 17 ) of the heat pump ( 70 ) and the drive turbine ( 60 ) about the common wave ( 40 ) with the shaft of the starter motor ( 50 ) are rotationally connected. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Starter-Motor (50) und die Vorrichtung derart ausgelegt sind, dass die Inbetriebnahme der Vorrichtung durch kurzzeitiges Einschalten des Starter-Motors (50) erfolgt und bei Betrieb der Vorrichtung keine Leistungsabgabe des Starter-Motors (50) erforderlich ist.Apparatus according to claim 15, wherein the starter motor ( 50 ) and the device are designed such that the commissioning of the device by briefly switching on the starter motor ( 50 ) and when operating the device no power output of the starter motor ( 50 ) is required. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, wobei der Starter-Motor (50) als Starter-Generator (50) ausgelegt ist und mit kleiner Leistung zum Aufladen eines Stromspeichers, beispielsweise eines Akkumulators, und/oder mit kleiner Leistung zum Antrieb einer oder mehrerer Heizungspumpen geeignet ist.Apparatus according to claim 15 or 16, wherein the starter motor ( 50 ) as a starter generator ( 50 ) is designed and with low power for charging a power storage, such as a battery, and / or low power to drive one or more heating pumps is suitable. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei die Vorrichtung redundant aufgebaut ist und auch bei Strom-Ausfall durch Umschalten auf Akkubetrieb voll funktionsfähig bleibt.Device according to one of claims 15 to 17, wherein the device is redundant and remains fully functional even in power failure by switching to battery operation. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei die Vorrichtung ferner einen zweiten Wärmetauscher (2) aufweist, welcher stromaufwärts des Kompressionslaufrades (4) der Wärmepumpe (70) angeordnet und ausgelegt ist, die von der Wärmepumpe (70) angesaugte Umgebungsluft (1b) durch Abgas (21) aus der Antriebsturbine (60) oder durch die Abluft einer Klimaanlage oder einer anderen geeigneten Wärmequelle vorzuwärmen oder die von der Wärmepumpe (70) angesaugte Umgebungsluft (1b) durch Grundwasser, vorzugsweise Brunnenwasser, oder durch die gekühlte Abluft einer Klimaanlage oder einer anderen geeigneten Kältequelle vorzukühlen.Device according to one of claims 15 to 18, wherein the device further comprises a second heat exchanger ( 2 ), which upstream of the compression impeller ( 4 ) of the heat pump ( 70 ) arranged and designed by the heat pump ( 70 ) sucked in ambient air ( 1b ) by exhaust gas ( 21 ) from the drive turbine ( 60 ) or through the exhaust air from an air conditioner or other suitable source of heat or from the heat pump ( 70 ) sucked in ambient air ( 1b ) by groundwater, preferably well water, or by the cooled exhaust air of an air conditioner or other suitable cooling source to pre-cool. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei die zweite Stufe (11, 13, 15) der Antriebsturbine (60) einen dritten Wärmetauscher (13) aufweist, welcher ausgelegt ist, an den zweiten Teilstrom (10) der in dem ersten Wärmetauscher (6) abgekühlten Luft (6a) Abgaswärme abzugeben.Device according to one of claims 15 to 19, wherein the second stage ( 11 . 13 . 15 ) of the drive turbine ( 60 ) a third heat exchanger ( 13 ), which is designed to the second partial flow ( 10 ) in the first heat exchanger ( 6 ) cooled air ( 6a ) Give off exhaust heat. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 20, wobei die zweite Stufe (11, 13, 15) der Antriebsturbine (60) eine Brennkammer (15) aufweist, welche ausgelegt ist, an den zweiten Teilstrom (10) der in dem ersten Wärmetauscher (6) abgekühlten Luft (6a) Brennstoffwärme abzugeben.Device according to one of claims 15 to 20, wherein the second stage ( 11 . 13 . 15 ) of the drive turbine ( 60 ) a combustion chamber ( 15 ), which is designed to the second partial flow ( 10 ) in the first heat exchanger ( 6 ) cooled air ( 6a ) To give off fuel heat. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 21 in einer Zentral-Klimaanlage zur Erwärmung und Kühlung von Luft.Use of the device according to one of the claims 15 to 21 in a central air conditioning and heating Cooling of air. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 21 in einer Zentral-Klimaanlage zur Kühlung von Luft, wobei der dem Expansionslaufrad (8) der Wärmepumpe (70) zugeführte ersten Teilstrom (7) nach seiner Expansion und Abkühlung in dem Expansionslaufrad (8) der Wärmepumpe (70) als kalter Abluftstrom (9) in der Zentral-Klimaanlage zur Kühlung von Luft ohne zusätzlichen Wärmetauscher direkt mit der zu kühlenden Luft vermischt wird.Use of the device according to one of claims 15 to 21 in a central air conditioning system for cooling air, wherein the expansion impeller ( 8th ) of the heat pump ( 70 ) supplied first partial flow ( 7 ) after its expansion and cooling in the expansion impeller ( 8th ) of the heat pump ( 70 ) as a cold exhaust air stream ( 9 ) is mixed directly in the central air conditioning system for cooling air without additional heat exchanger with the air to be cooled. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 21 in einer Zentral-Klimaanlage zur Erwärmung von Luft, wobei in der Zentral-Klimaanlage ohne Zwischenschaltung eines Warmwasserkreislaufs die zu erwärmende Luft ganz oder teil weise durch den ersten Wärmetauscher (6) und/oder einen vierten Wärmetauscher (20) geführt und dabei erwärmt wird, wobei die durch Expansion und Abkühlung in dem Expansionslaufrad (17) der Antriebsturbine (60) vorzugsweise auf nahezu Umgebungsdruck entspannte und auf eine niedrige Temperatur gesenkte Luft als Abgasstrom (18) dem vierten Wärmetauscher (20) zum Übertragen der Abgaswärme auf die zu erwärmende Luft zugeführt wird.Use of the device according to one of claims 15 to 21 in a central air conditioning system for heating air, wherein in the central air conditioning without interposition of a hot water circuit, the air to be heated in whole or in part by the first heat exchanger ( 6 ) and / or a fourth heat exchanger ( 20 ) and thereby heated, which by expansion and cooling in the expansion impeller ( 17 ) of the drive turbine ( 60 ) preferably relaxed to near ambient pressure and lowered to a low temperature air as exhaust gas flow ( 18 ) the fourth heat exchanger ( 20 ) is supplied for transmitting the exhaust heat to the air to be heated. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 21 als „Back-System" zur Unterstützung einer Solar-Kältemaschine, wenn die Sonnen-Einstrahlung nicht ausreicht oder ganz fehlt.Use of the device according to one of the claims 15 to 21 as a "back-system" for support a solar chiller when the solar irradiation not enough or missing completely. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 21 als Kältemaschine, wobei die mit dem ersten Wärmetauscher (6) bewirkte Rückkühlung der im Kompressionslaufrad (4) der Wärmepumpe (70) komprimierten und erwärmten Luft (5) durch kaltes Brunnenwasser oder ein anderes kühles Wärmeträgermedium erfolgt.Use of the device according to any one of claims 15 to 21 as a refrigerating machine, wherein the with the first heat exchanger ( 6 ) caused re-cooling of the compression impeller ( 4 ) of the heat pump ( 70 ) compressed and heated air ( 5 ) is done by cold well water or another cool heat transfer medium.
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