DE102007047642B4

DE102007047642B4 - Kältemaschine

Info

Publication number: DE102007047642B4
Application number: DE102007047642A
Authority: DE
Inventors: Juergen Misselhorn
Original assignee: Misselhorn Juergen Dipling
Current assignee: MASCHINENWERK MISSELHORN GMBH, 80336 MUENCHEN, DE
Priority date: 2007-10-05
Filing date: 2007-10-05
Publication date: 2010-01-14
Anticipated expiration: 2027-10-06
Also published as: DE102007047642A1; WO2009046953A1; EP2212627A1; US20100263392A1

Abstract

Kälteprozess, in welchem in einem Kreisprozess sechs Zustandsänderungen eines eingeschlossenen Arbeitsgases zwischen zwei Temperaturebenen in folgender Reihenfolge ablaufen:
isochore Wärmeaufnahme,
isotherme Verdichtung (Kompression),
isobare Verflüssigung,
isochore Wärmeabgabe,
isotherme Entspannung (Expansion),
isobare Verdampfung.

Description

Technisches Gebiet
Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um eine Kältemaschine, welche nach dem Prinzip eines Kreisprozesses mit sechs Zustandsänderungen arbeitet: zwei Isochoren, zwei Isobaren, zwei Isothermen.
In dieser Kältemaschine finden mehrere der oben beschriebenen Kälteprozesse gleichzeitig, aber zeitlich versetzt, statt. Die Zustandsänderungen Expansion und Kompression der einzelnen Kreisprozesse werden durch einen gemeinsamen Kälteverdichter bewirkt.
Stand der Technik
Es werden für Kühlzwecke und als Wärmepumpen verschiedene Kältemaschinenprozesse angewendet, die nachfolgend kurz beschrieben werden:
Die Kaltluftmaschine (linksläufiger Joule-Prozess)
Bei diesem Prozess wird Luft bei Umgebungstemperatur angesaugt und isentrop verdichtet. Die adiabatisch aufgewärmte Luft wird danach isobar abgekühlt und anschließend isentrop entspannt. Letztendlich wird die Luft wieder isobar erwärmt. Dieser Prozess wird vorwiegend bei der Flugzeugklimatisierung sowie bei der Bergwerksbewetterung eingesetzt.
Philips-Gaskältemaschine (linksläufiger Stirling-Prozess)
Dieser geschlossene Prozess wird vorwiegend zur Verflüssigung von Luft und anderen Gasen eingesetzt. Der theoretische Prozess besteht aus folgenden Zustandsänderungen:
isotherme Verdichtung im Kompressionsraum
isochore Abkühlung im Regenerator
isotherme Entspannung im Expansionsraum
isochore Erwärmung im Regenerator
Dampfkältemaschine (Plank-Prozess)
Dieser Prozess wird in verschiedenen Varianten in der allgemeinen Kältetechnik bei Kühlschränken, Kühlräumen, Kaltwassererzeugung usw. eingesetzt. Der theoretische Prozess besteht im Wesentlichen aus folgenden Zustandsänderungen:

– isentrope Verdichtung mittels eines Verdichters
– isobare (auch isotherme) Abkühlung in einem Verflüssiger
– isenthalpe Entspannung durch Drosselung durch ein Expansionsventil oder eine Kapillare
– isobare (auch isotherme) Erwärmung in einem Verdampfer

Weitere nicht auf mechanischer Arbeit begründete Kältekreisläufe, wie zum Beispiel jener der Adsorbtionskältemaschine, sind für den Vergleich mit dem Gegenstand dieser Erfindung nicht relevant.
US 4 520 632 offenbart einen sich drehenden Zylinder, der eine langgestreckte, s-förmige Strömungsmitteldruckkammer definiert, deren zwei Enden bezüglich der Drehachse entfernt gelegen sind. Die s-förmige Strömungsmitteldruckkammer nimmt einen freien Kolben auf, der sich entlang der Länge der Kammer entsprechend dem Strömungsmitteldruck und den auf ihn aufgebrachten Zentrifugalkräften hin und her bewegt. Elektromagnetbetätigte Einlass- und Auslassventile sind an jedem Ende der Strömungsmitteldruckkammer vorgesehen, und Abfühlvorrichtungen, die das Vorbeilaufen des freien Kolbens abfühlen, sind an den entgegengesetzten Enden der s-förmigen Strömungsmitteldruckkammer angeordnet und benachbart zu den mittleren Teilen, um den Betrieb der Einlass- und Auslassventile zu steuern.
US 3 981 702 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Übertragung von Wärme von einem ersten, normalerweise gasförmigen Strömungsmittel auf ein zweites, normalerweise flüssiges Strömungsmittel unter Verwendung eines Rotors mit Durchlässen für das erste Strömungsmittel, die sich von der Rotormitte nach außen erstrecken und mit Durchlässen für das zweite Strömungsmittel, die sich auch in dem Rotor nach außen erstrecken. Die zwei Strömungsmittel sind dabei in Wärme austauschender Beziehung in dem Rotor, wobei die Wärme vom ersten Strömungsmittel auf das zweite Strömungsmittel übertragen wird. Die Temperatur des ersten Strömungsmittels wird dabei durch Kompression des ersten Strömungsmittel im Rotor gesteigert, die zwei Strömungsmittel werden dann in getrennten Durchlässen zur Mitte des Rotors geleitet und ausgelassen. Somit wird das erste Strömungsmittel beim Austritt aus dem Rotor kälter sein, als beim Eintritt und das zweite Strömungsmittel wird beim Austritt wärmer sein, als beim Eintritt.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist, einen Kälteprozess mit verbessertem Wirkungsgrad sowie eine Kältemaschine vorzusehen, die diesen Prozess einsetzt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dieses Ziel durch einen Kälteprozess erreicht, in welchem in einem Kreisprozess sechs Zustandsänderungen eines eingeschlossenen Arbeitsgases zwischen zwei Temperaturebenen in folgender Reihenfolge ablaufen: isochore Wärmeaufnahme, isotherme Verdichtung (Kompression), isobare Verflüssigung, isochore Wärmeabgabe, isotherme Entspannung (Expansion), isobare Verdampfung.
Vorzugsweise erfolgen bei diesem Kälteprozess die Verdichtung und die Entspannung gleichzeitig durch einen Verdichter.
Vorzugsweise findet der Kälteprozess parallel aber zeitlich versetzt in mehreren Wärmetauschern statt. Dadurch kann ein noch höherer Wirkungsgrad erreicht werden.
Der Kälteprozess findet vorzugsweise zumindest in drei Wärmetauschern statt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Kälteprozess in sechs Wärmetauschern stattfin det. Der Vorteil dabei ist, dass dann jeder Schritt des Prozesses gleichzeitig von einem Wärmetauscher ausgeführt wird.
Weiterhin wird das Ziel der Erfindung durch eine Kältemaschine erreicht, die Folgendes aufweist: mindestens einen Wärmetauscher mit zwei Bereichen, welche durch eine Verschlussvorrichtung strömungsmittelmäßig so miteinander verbunden sind, dass der Arbeitsstoff im gasförmigen und flüssigen Aggregatzustand von einer Hälfte zur anderen hinüber fließen und sich gleichmäßig verteilen kann. Der eine Bereich des Wärmetauschers wird dabei von einem warmen Medium umströmt und der andere Bereich wird von einem kalten Medium umströmt. Mittel zum Wenden des Wärmetauschers sind vorgesehen, um flüssiges Strömungsmittel von einem Bereich des Wärmetauschers in den anderen Bereich fließen zu lassen. Ein Arbeitszylinder ist vorgesehen, der durch ein Verbindungsrohr und ein Ventil selektiv mit einem Bereich des Wärmetauschers verbunden ist, wenn das Ventil in seiner offenen Position ist, und von dem Wärmetauscher getrennt ist, wenn das Ventil in seiner geschlossenen Position ist. Weiterhin ist eine Steuervorrichtung vorgesehen, welche die Ventile und die Verschlussvorrichtung selektiv betätigt, um die Schritte des oben beschriebenen Kälteprozesses auszuführen.
Vorteilhafterweise sind bei der Kältemaschine die zwei Bereiche des Wärmetauschers durch eine Isolation thermisch voneinander isoliert. Das warme und das kalte Medium können dabei jeweils gasförmig oder flüssig sein.
Bei der Kältemaschine kann vorteilhafterweise die Verbindung zwischen der gewärmten und gekühlten Hälfte durch die Verschlussvorrichtung vorübergehend geschlossen werden.
Es ist vorzuziehen, dass die Kältemaschine zumindest drei Wärmetauscher aufweist. Insbesondere ist vorzuziehen, dass die Kältemaschine sechs Wärmetauscher aufweist. Der Vorteil dabei ist, dass dann jeder Schritt des Prozesses gleichzeitig von einem Wärmetauscher ausgeführt wird.
Vorteilhaft ist eine Kältemaschine bei der die Wärmetauscher sternförmig um die Längsachse des Arbeitszylinders angeordnet sind und die Verbindungsrohre ab wechselnd an beiden Seiten des Arbeitszylinders angeschlossen sind. Dabei sind die Wärmetauscher starr mit dem Arbeitszylinder verbunden und sind mit diesem um die gemeinsame Längsachse drehbar aufgehängt. Weiterhin ist ein Motor zum Drehen der Wärmetauscher und des Arbeitszylinders vorgesehen, und wobei Leitmittel sind vorgesehen, die das warme und das kalte Medium so leiten, dass die einzelnen Wärmetauscher während einer Hälfte der Umdrehung durch das kalte Medium und während der anderen Hälfte der Umdrehung durch das warme Medium geführt werden.
Bei der Kältemaschine ist vorzuziehen, dass der Arbeitszylinder ein doppelt wirksamer Arbeitszylinder ist, bei dem die Kompressionen und Expansionen nicht nur auf der einen Seite sondern auf beiden Seiten des Kolbens stattfinden.
Die Steuervorrichtung zur Steuerung der Ventile ist vorzugsweise eine Kurvenscheibe.
Die Kältemaschine kann vorteilhafterweise als Wärmepumpe genutzt werden, um Wärme zu erzeugen, die an eine Heizungsanlage oder einen anderen Prozess abgegeben werden kann, indem diese Wärme einem kälteren gasförmigen oder flüssigen Medium entzogen wird.
Bei der Kältemaschine kann vorteilhafterweise für die Erwärmung und Verdampfung Strahlungswärme genutzt werden und für die Kühlung und Verflüssigung die Wärme durch Strahlung abgegeben werden, anstatt sie an gasförmiges oder flüssiges Medium abzugeben.
Besondere Vorteile ergeben sich, wenn eine Kältemaschinenanordnung vorgesehen wird, die aus mehreren Kältemaschinen nach einem der vorhergehenden Ansprüche besteht, die in Reihe hintereinander in dem warmen und kalten Medium aufgestellt werden, wobei das warme Medium die einzelnen Kältemaschinen kaskadenartig nacheinander durchströmt und wobei die Temperatur beim Durchströmen der Wärmetauscher der einzelnen Kältemaschinen abnimmt. Das kühle Medium durchströmt dabei dieselben Kältemaschinen in entgegengesetzter Richtung in umgekehrter Reihenfolge kaskadenartig, wobei die Temperatur des kühlen Mediums beim Durch strömen der Wärmetauscher der einzelnen Kältemaschinen zunimmt und wobei eine Temperaturdifferenz zwischen dem warmen und dem kühlen Medium erhalten bleibt. Das Ziel ist dabei eine sehr hohe Kühlung bzw. Erwärmung zu erzielen.
Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um eine Kältemaschine, die mit sechs Zustandsänderungen eine hohe Kältezahl aufweist. Mit dieser Kältemaschine, die auch als Wärmepumpe genutzt werden kann, soll durch externe Arbeit ein Wärmeaustausch zwischen zwei Medien bewirkt werden, wobei der Wärmefluss von dem Medium mit der tieferen Temperatur zum Medium mit der höheren Temperatur erfolgt.
Im Prinzip handelt es sich um eine Anzahl Wärmetauscher in denen Verdampfung und Verflüssigung stattfinden, die alle, jedoch nicht gleichzeitig, mit einem Verdichter verbunden sind. Der Verdichter kann aus einem Zylinder mit Kolben bestehen, was zur Vereinfachung der Beschreibung nachfolgend zu Grunde gelegt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung zeigen die Figuren Folgendes:
1 eine schematische Darstellung eines Kältemaschinenmodels, in der die wesentlichen Komponenten und deren Beziehung zueinander aufgezeigt werden, um die Realisierung des Kältekreislaufes darzustellen.
2 die Ventilsteuerung als Nockenscheibe mit nockengeführten Ventilen.
3 eine schematische Darstellung eines Rotors einer Kältemaschine mit sechs Wärmetauschern.
4A eine Beschreibung der in den 4B und 4C verwendeten Symbole.
4B eine Darstellung von Takten 1 bis 4 des Kälteprozesses.
4C eine Darstellung von Takten 5 und 6 des Kälteprozesses.
5 ein Druck-Enthalpie-Diagramm für C₂H₂F₂, Kältemittel R134a, als Arbeitsstoff.
6. ein P-v-Diagramm bezogen auf das in 5 dargestellte P-h-Diagramm.
7 ein T-s-Diagramm bezogen auf das in 5 dargestellte P-h-Diagramm.
Wie am besten in den 1 und 3 zu sehen, weist eine Kältemaschine 100 gemäß der vorliegenden Erfindung aus sechs Wärmetauschern 10 auf, die jeweils aus zwei Hälften bestehen. Jeder Wärmetauscher 10 ist mit einem Verdichterzylinder 20 durch ein Verbindungsrohr 30 verbunden. In dem Verbindungsrohr 30 befindet sich ein Ventil 40. Der Verdichterzylinder 20 weist einen doppelt wirksamen Kolben 22 auf.
Wie in 1 dargestellt, besteht jeder Wärmetauscher 10 aus zwei Hälften 11, 12 die durch eine Isolierung 13 thermisch isoliert werden. Jeder Wärmetauscher 10 weist gegenüberliegende Rohrpaare 14 auf (in der Zeichnung sind für jeden Wärmetauscher 10 zwei Rohrpaare 14 dargestellt), die jeweils über eine gemeinsame Verschlusseinrichtung 16 miteinander verbunden sind. Ist die Verschlusseinrichtung 16 geöffnet, wie bei „A” und „X” dargestellt, sind die Rohre eines jeden Rohrpaares 14 miteinander verbunden. Ist die Verschlusseinrichtung 16 geschlossen, so ist die Verbindung zwischen den beiden Rohren der einzelnen Rohrpaare gasdicht abgesperrt.
Die einzelnen Rohre der Wärmetauscher 10 können Rippen 15 aufweisen, wie dargestellt, oder sie können glatt sein. Die Wärmetauscher 10 brauchen auch nicht aus Rohren hergestellt sein, sondern können irgendeine andere Form annehmen, welche druckbeständig ist. Die beiden Hälften 11, 12 der Wärmetauscher 10 können auch unterschiedlich sein. Es kommt allein auf den geeigneten Wärmeaustausch an.
Die Verschlussvorrichtung 16 ist zwischen den beiden Hälften 11, 12 des Wärmetauschers 10 angeordnet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Verschlussvorrichtung 16 in eine geschlossene Position federvorgespannt. Eine Betätigungsvorrichtung 17 öffnet die Verschlussvorrichtung 16. Die Betätigungsvorrichtung 17 besteht im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einer Rolle 18, die auf einer Nockenscheibe 19 rollt.
Vom Kältemittelverdichter sind nur die Hauptkomponenten gezeigt, d. h. der Verdichterzylinder 20 und der Kolben 22. Der Kolben 22 ist doppelt wirksam. Während auf der einen Seite des Kolbens 22 verdichtet wird, wird auf der anderen Seite entspannt oder angesaugt. Der Kolben 22 kann auf unterschiedlichen Weisen angetrieben werden. Er kann zum Beispiel durch eine Kurbelwelle und eine Kolbenstange oder Pleu elstange oder auch durch einen elektrischen Linearmotor angetrieben werden. Dadurch können die Kompressionen und Expansionen nicht nur auf der einen Seite sondern auf beiden Seiten des Kolbens 22 stattfinden. Während auf der einen Seite eine Kompression stattfindet, findet gleichzeitig auf der anderen Seite eine Expansion statt.
Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel, wird durch die Doppelwirkung des Kolbens bei jeder Bewegung des Kolbens das Arbeitsgas in einen Wärmetauscher 10 hinein komprimiert, während gleichzeitig das Arbeitsgas aus einen anderen Wärmetauscher 10 abgesaugt wird.
Die Ventile 40 zwischen den Wärmetauschern 10 und Verdichterzylinder 20 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel mechanisch zu öffnen und zu schließen. Wie am besten in 2 gezeigt, weisen die Ventile 40 jeweils einen Stößel 41 und eine Rolle 42 auf. Die Ventile 40 sind sternförmig um eine Nockenscheibe 50 herum angeordnet. Die Nockenscheibe 50 weist Nocken 51 und einen Grundkreis 52 auf. Andere Arten von Ventilsteuerungen, wie z. B. Magnet- oder Pneumatikventile, sind jedoch ebenso einsetzbar. In der Darstellung ist das Ventil A geöffnet während die Ventile B und C geschlossen sind. Die Ventile 40 befinden sich im Verbindungsrohr 30.
Wie am besten in 3 zu sehen, sind die Wärmetauscher 10 sternförmig um den Verdichterzylinder 20 angeordnet und mit diesem fest verbunden. Die eine Hälfte der Wärmetauscher 10 ist an der Vorderseite und die andere Hälfte auf der Rückseite des Verdichterzylinders 20 angeschlossen. Die Wärmetauscher 10 sind als einfache Rohre 14 dargestellt, die jedoch eine Galerie von Rohren 14 repräsentieren. In der Mitte ist die Nockenscheibe 50 aus 2 zu sehen. Ein nicht gezeigter Motor ist vorgesehen, um die gesamte Anordnung der Wärmetauscher (Wärmetauscherblock) um die Mittelachse zu drehen. Die Drehrichtung ist gegen den Uhrzeigersinn. Diejenige Hälfte 12 der Wärmetauscher 10, an die das Verbindungsrohr 30 zum Verdichterzylinder 20 angeschlossen ist, wird durch ein warmes Medium umströmt bzw. umflossen, während die andere Hälfte 11 durch ein Kühlmedium umströmt bzw. umflossen wird.
Der Betrieb der Kältemaschine läuft ab wie im Folgenden dargelegt. In den 3, 4A–4C sind die Takte der Kältemaschine nacheinander gezeigt. 4A–4C zeigen eine Darstellung des Prozessablaufes auf der Basis des in 3 gezeigten Modells. Die jeweilige Kolbenbewegung, die Ventilstellung und die Stellung der Verschlusseinrichtung zwischen den einzelnen Wärmetauscherhälften, die Fortschritte der einzelnen Wärmeüberträger innerhalb einer Rotation sind schematisch dargestellt. Zwischen den Wärmetauscherhälften 11, 12 wird die Verschlusseinrichtung 8 als Kreis mit Balken gezeigt. Ist der Balken parallel zur Längsachse des Wärmetauschers 10 ausgerichtet, dann ist die Verschlusseinrichtung 16 geöffnet. Steht der Balken quer zur Längsachse des Wärmetauschers 10, so ist sie geschlossen.
Ventile, die mit dem Stößel von der Nockenscheibe geöffnet und mit Federdruck geschlossen werden, sind „von oben” dargestellt. Die Funktionsweise entspricht der Darstellung in 2. Diese Art der Ventile lässt sich zur Erläuterung am besten darstellen, es kann aber jeder andere Art von geeigneten Ventilen eingesetzt werden.
Die Wärmetauscher 10 kreisen um die Mittelachse entsprechend den dargestellten Pfeilen. Die Bereiche, in denen die Ventile 40 geöffnet und die Verschlusseinrichtungen geschlossen sind, sind in den Figuren gezeigt. Der Verdichterzylinder 20 ist von der Stirnseite zu sehen und wird in 3 als Kreis gezeigt. Anhand dieser Darstellung soll der Ablauf des Kältekreisprozesses erklärt werden.
In 3 wird die Rotationsrichtung mit Pfeilen angezeigt. Die Trennung der einzelnen Zustandsänderungen des Arbeitsstoffes sind mit den Nummern an der Außenseite des aus den Wärmetauschern 10 und dem Arbeitszylinder 20 bestehenden Rotors gekennzeichnet. Diese Nummern sind auch an entsprechenden Punkten in den thermodynamischen Diagrammen in 5 bis 7 eingetragen.
Der Ablauf der einzelnen Zustandsänderungen wird nachfolgend kurz beschrieben.
1-2 Isochore Wärmeaufnahme
In 3 hat der Wärmetauscher 10 in der Position (1) soeben die Kühlstrecke verlassen. Der enthaltene Arbeitstoff ist vollständig verdampft. Die Verschlusseinrichtung 16 ist geschlossen. Bei der weiteren Rotation bewegt sich die innere Wärme tauscherhälfte 12 in die Heizstrecke und wird dort gewärmt. Da die Verschlusseinrichtung 16 und das Ventil 40 geschlossen sind, ist der Dampf des Arbeitsstoffes in einen Raum mit konstantem Inhalt eingeschlossen. Durch den Wärmeaustausch mit dem umströmenden Medium erwärmt sich der Arbeitsstoff bei konstantem Volumen auf die Temperatur des warmen Mediums. Der Druck nimmt zu.
In den 5 bis 7 ist dieser Vorgang als die Strecke (1)–(2) gezeigt.
2-3 Isotherme Verdichtung
Sobald der Wärmetauscher 10 die Position (2) in 3 erreicht, öffnet sich das Ventil 40 und weitere Dampf des Arbeitsstoffes wird aus dem Verdichterzylinder 20 durch den Kolben 22 in den Wärmetauscher 10 hinein gepresst. Der Druck innerhalb des Wärmetauschers 10 erhöht sich. Die adiabate Wärme der Verdichtung wird durch das warme Medium abgeführt, so dass eine isotherme Verdichtung stattfindet. Da der Druck im Wärmetauscher 10 höher ist als der Dampfdruck des Arbeitsstoffes, verflüssigt sich der Arbeitsstoff. In der Position (3) schließt das Ventil 40.
In den 5 bis 7 ist dieser Vorgang als die Strecke (2)–(3) gezeigt.
3-4 Isobare Verflüssigung
Beim vorherrschenden Überdruck im Wärmetauscher 10 verflüssigt sich der Arbeitsstoff solange bis der Dampfdruck des Arbeitsstoffes bei der Temperatur des warmen Mediums erreicht ist. Die Verflüssigungswärme wird durch das warme Medium abgeführt. Die Wärmetauscher 10 sind so ausgelegt, dass dieser Vorgang abgeschlossen ist, wenn die Position (4) erreicht wird.
In den 5 bis 7 ist dieser Vorgang als die Strecke (3)–(4) gezeigt.
4-5 Isochore Wärmeentnahme
In Position (4) wird die Verschlusseinrichtung 16 geöffnet. Das Kondensat des Arbeitsstoffes kann nun in die gekühlte Hälfte 11 des Wärmetauschers 10 (Verflüssiger) strömen. Durch den Wärmeaustausch zwischen Medium und Arbeitsstoff wird das Kondensat bis auf die untere Temperaturebene des kühlen Mediums abgekühlt. Durch den, bei dieser Temperatur niedrigen Dampfdruck des Arbeitsstoffes, wird weitere Dampf kondensiert, bis der Dampfdruck des Arbeitsstoffes bei dieser Temperatur erreicht ist. Die gesamte Masse des Arbeitsstoffes ist bei der Position (5) auf die untere Temperaturebene abgekühlt. Da während der gesamten Strecke das Volu men im Wärmetauscher 10 unverändert bleibt (Ventil 40 geschlossen, Verschlusseinrichtung 16 geöffnet) findet die Abkühlung bei gleichem Volumen statt.
In den 5 bis 7 ist dieser Vorgang als die Strecke (4)–(5) gezeigt.
5-6 Isotherme Expansion
Das Ventil 40 wird in der Position (5) geöffnet. Vom Verdichterzylinder 20 wird der Arbeitsstoff durch einen Unterdruck aus dem Wärmetauscher 10 abgesaugt. Der Druck fällt unter den Dampfdruck des Arbeitsstoffes bei der unteren Temperatur. Um den Dampfdruck zu erhalten, verdampft der Arbeitsstoff. Da vom kühlen Medium ständig Wärme zugeführt wird, findet diese Verdampfung bei gleich bleibender Temperatur statt. Es findet somit eine isotherme Expansion und Verdampfung statt. In der Position (6) schließt das Ventil 40.
In den 5 bis 7 ist dieser Vorgang als die Strecke (5)–(6) gezeigt.
6-1 Isobare Verdampfung
Bei Unterdruck im Wärmetauscher 10 verdampft der Arbeitsstoff solange bis der Dampfdruck des Arbeitsstoffes bei der unteren Temperatur erreicht ist. Die Verdampfungswärme wird durch das kühle Medium herbeigeführt. Die Wärmetauscher 10 sind so ausgelegt, dass dieser Vorgang abgeschlossen ist, wenn die Position (1) wieder erreicht wird.
In den 5 bis 7 ist dieser Vorgang als die Strecke (6)–(1) gezeigt.
In den 4A bis 4C kann die wechselweise Änderungen der Vorgänge in den verschiedenen Wärmetauschern und die Beziehung untereinander und zum Verdichterzylinder 20 nachvollzogen werden. Die Rotation der 10 ist bei jedem dargestellten Takt um 60° weiter fortgeschritten. Anhand des dargestellten Ablaufes ist festzustellen, dass der Kolben 3 nach einer Rotation um 60° die Richtung wechselt und bei einer vollständigen Umdrehung des aus den Wärmetauschern und dem Verdichterzylinder bestehenden Rotors drei vollständige Takte (hin und zurück) vollzogen hat. Bei dieser Konstruktion wird der Kolben genau so viele Zyklen vollziehen wie Wärmetauscher 10 an einer Seite des Verdichterzylinders 20 angeschlossen sind.
Es wird in Betracht gezogen, dass bei der Kältemaschine die Anzahl der Wärmetauscher ein Vielfaches von drei ist. Weiterhin ist eine vorteilhafte Möglichkeit, dass die Anzahl der Wärmetauscher ein Vielfaches von sechs ist. Dann kann ein entsprechend angeschlossener Arbeitszylinder selektiv an seiner einen Seite mit einem Wärmetauscher verbunden werden, in den gerade hinein gepumpt werden soll, und an seiner gegenüber liegenden Seite kann er mit einem anderen Wärmetauscher verbunden werden, aus dem gerade heraus gepumpt werden soll.
Der Hauptunterschied dieser Erfindung zum Stand der Technik ist, dass mehrere Wärmetauscher, bestehend aus Verdampfer und Verflüssiger, gleichzeitig betrieben werden, wobei die Abläufe des Kältekreisprozesses aber zeitlich versetzt in jedem Wärmetauscher stattfinden, die Zustandsänderungen Expansion und Kompression jedoch immer bei jedem Wärmetauscher durch den gleichen Verdichter ausgelöst werden.
Die Funktionsweise dieser Erfindung weicht von allen anderen herkömmlichen Kältekreisläufen durch die sechs erforderlichen Zustandsänderungen ab. Gängige Kreisläufe haben essentiell (abgesehen von Überhitzungen des Arbeitsstoffdampfes oder integrierten Zwischenkreisläufen) vier Zustandsänderungen.
Diese Erfindung zeichnet sich darüber hinaus durch einen höheren theoretischen Wirkungsgrad als die herkömmlichen Kältekreisläufe aus.

Claims

Kälteprozess, in welchem in einem Kreisprozess sechs Zustandsänderungen eines eingeschlossenen Arbeitsgases zwischen zwei Temperaturebenen in folgender Reihenfolge ablaufen: isochore Wärmeaufnahme, isotherme Verdichtung (Kompression), isobare Verflüssigung, isochore Wärmeabgabe, isotherme Entspannung (Expansion), isobare Verdampfung.
Kälteprozess nach Anspruch 1, wobei die Verdichtung und die Entspannung gleichzeitig durch einen Verdichter (20, 22) erfolgen.
Kälteprozess nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Kälteprozess parallel aber zeitlich versetzt in mehreren Wärmetauschern (10) stattfindet.
Kälteprozess nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kälteprozess zumindest in drei Wärmetauschern (10) stattfindet.
Kälteprozess nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kälteprozess in sechs Wärmetauschern (10) stattfindet.
Kältemaschine (100), die Folgendes aufweist: mindestens einen Wärmetauscher (10) mit zwei Bereichen (11, 12), welche durch eine Verschlussvorrichtung (16) strömungsmittelmäßig so miteinander verbunden sind, dass der Arbeitsstoff im gasförmigen und flüssigen Aggregatzustand von einem Bereich (11, 12) zum anderen Bereich (11, 12) hinüber fließen und sich gleichmäßig verteilen kann; wobei der eine Bereich (12) des Wärmetauschers (10) von einem warmen Medium umströmt wird und der andere Bereich (11) von einem kalten Medium umströmt wird; Mittel (16, 17) zum Leiten von flüssigem Strömungsmittel von einem Bereich (11, 12) des Wärmetauschers (10) in den anderen Bereich (11, 12); einen Arbeitszylinder (20, 22), der durch ein Verbindungsrohr (30) und ein Ventil (40) selektiv mit einem Bereich (11, 12) des Wärmetauschers (10) verbunden ist, wenn das Ventil (40) in seiner offenen Position ist, und von dem Wärmetauscher (10) getrennt ist, wenn das Ventil (40) in seiner geschlossenen Position ist; eine Steuervorrichtung (50, 51, 52), welche die Ventile (40) und die Verschlussvorrichtung (16) selektiv betätigt, um die Schritte des Kälteprozesses nach Anspruch 1 auszuführen.
Kältemaschine (100) nach Anspruch 6, wobei die zwei Bereiche (11, 12) des Wärmetauschers (10) durch eine Isolation (13) thermisch voneinander isoliert sind.
Kältemaschine (100) nach Anspruch 6 oder 7, wobei das warme und das kalte Medium jeweils gasförmig oder flüssig sein können.
Kältemaschine (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Verbindung zwischen den gewärmten und gekühlten Bereichen (11, 12) durch die Verschlussvorrichtung (16) vorübergehend geschlossen werden kann.
Kältemaschine (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, die zumindest drei Wärmetauscher (10) aufweist.
Kältemaschine (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, die sechs Wärmetauscher (10) aufweist.
Kältemaschine (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 11, wobei die Wärmetauscher (10) sternförmig um die Längsachse des Arbeitszylinders (20, 22) angeordnet sind und die Verbindungsrohre (30) abwechselnd an beiden Seiten des Arbeitszylinders (20, 22) angeschlossen sind, wobei die Wärmetauscher (10) starr mit dem Arbeitszylinder (20, 22) verbunden sind und mit diesem um die gemeinsame Längsachse drehbar aufge hängt sind, wobei ein Motor zum Drehen der Wärmetauscher (10) und des Arbeitszylinders (20, 22) vorgesehen ist, und wobei Leitmittel vorgesehen sind, die das warme und das kalte Medium so leiten, dass die einzelnen Wärmetauscher (10) während einer Hälfte der Umdrehung durch das kalte Medium und während der anderen Hälfte der Umdrehung durch das warme Medium geführt werden.
Kältemaschine (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 12, wobei der Arbeitszylinder (20, 22) ein doppelt wirksamer Arbeitszylinder (20, 22) ist, bei dem die Kompressionen und Expansionen nicht nur auf der einen Seite sondern auf beiden Seiten des Kolbens (22) stattfinden.
Kältemaschine (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 13, wobei die Steuervorrichtung (50, 51, 52) eine Kurvenscheibe (50, 51, 52) ist.
Kältemaschine (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 14, wobei die Kältemaschine (100) als Wärmepumpe genutzt wird, um Wärme zu erzeugen, die an eine Heizungsanlage oder einen anderen Prozess abgegeben werden kann, indem diese Wärme einem kälteren gasförmigen oder flüssigen Medium entzogen wird.
Kältemaschine (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 15, wobei für die Erwärmung und Verdampfung Strahlungswärme genutzt wird und für die Kühlung und Verflüssigung die Wärme durch Strahlung abgegeben wird.
Kältemaschinenanordnung, die aus mehreren Kältemaschinen (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 16 besteht, die in Reihe hintereinander in dem warmen und kalten Medium aufgestellt werden, wobei das warme Medium die einzelnen Kältemaschinen (100) kaskadenartig nacheinander durchströmt und wobei die Temperatur beim Durchströmen der Wärmetauscher (10) der einzelnen Kältemaschinen (100) abnimmt, wobei das kühle Medium dieselben Kältemaschinen (100) in entgegengesetzter Richtung in umgekehrter Reihenfolge kaskadenartig durchströmt, wobei die Temperatur des kühlen Mediums beim Durchströmen der Wärmetauscher (10) der einzelnen Kältemaschinen (100) zunimmt und wobei eine Temperaturdifferenz zwischen dem warmen und dem kühlen Medium erhalten bleibt, und zwar mit dem Ziel eine sehr hohe Kühlung bzw. Erwärmung zu erzielen.