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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Tropfenabscheider und insbesondere auf Tropfenabscheider zur Verwendung von Wärmepumpen und Wärmepumpen, die zur Gebäudeheizung oder Gebäudekühlung oder aber auch zur Heizung oder Kühlung von sonstigen Gegenständen eingesetzt werden können.
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5A und
5B stellen eine Wärmepumpe dar, wie sie in dem europäischen Patent
EP 2016349 B1 dargestellt ist.
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5A zeigt eine Wärmepumpe, die zunächst einen Wasserverdampfer 10 zum Verdampfen von Wasser als Arbeitsflüssigkeit aufweist, um ausgangsseitig einen Dampf in einer Arbeitsdampfleitung 12 zu erzeugen. Der Verdampfer umfasst einen Verdampfungsraum (in 5A nicht gezeigt) und ist ausgebildet, um in dem Verdampfungsraum einen Verdampfungsdruck kleiner als 20 hPa zu erzeugen, so dass das Wasser bei Temperaturen unter 15°C im Verdampfungsraum verdampft. Das Wasser ist vorzugsweise Grundwasser, im Erdreich frei oder in Kollektorrohren zirkulierende Sole, also Wasser mit einem bestimmten Salzgehalt, Flusswasser, Seewasser oder Meerwasser. Erfindungsgemäß werden alle Arten von Wasser, also kalkhaltiges Wasser, kalkfreies Wasser, salzhaltiges Wasser oder salzfreies Wasser verwendbar bevorzugt. Dies liegt daran, dass alle Arten von Wasser, also alle diese ”Wasserstoffe”, die günstige Wasser-Eigenschaft haben, nämlich dass Wasser, das auch als ”R718” bekannt ist, eine für den Wärmepumpen-Prozess nutzbares Enthalpie-Differenz-Verhältnis von 6 hat, was dem mehr als 2-fachen des typischen nutzbaren Enthalpie-Differenz-Verhältnisses von z. B. R134a entspricht.
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Der Wasserdampf wird durch die Saugleitung 12 einem Verdichter/Verflüssiger-System 14 zugeführt, das eine Strömungsmaschine wie z. B. einen Radialverdichter, beispielsweise in Form eines Turboverdichters aufweist, der in 5A mit 16 bezeichnet ist. Die Strömungsmaschine ist ausgebildet, um den Arbeitsdampf auf einen Dampfdruck zumindest größer als 25 hPa zu verdichten. 25 hPa korrespondiert mit einer Verflüssigungstemperatur von etwa 22°C, was zumindest an relativ warmen Tagen bereits eine ausreichende Heizungs-Vorlauftemperatur einer Fußbodenheizung sein kann. Um höhere Vorlauftemperaturen zu generieren, können Drücke größer als 30 hPa mit der Strömungsmaschine 16 erzeugt werden, wobei ein Druck von 30 hPa eine Verflüssigungstemperatur von 24°C hat, ein Druck von 60 hPa eine Verflüssigungstemperatur von 36°C hat, und ein Druck von 100 hPa einer Verflüssigungstemperatur von 45°C entspricht. Fußbodenheizungen sind ausgelegt, um mit einer Vorlauftemperatur von 45°C auch an sehr kalten Tagen ausreichend heizen zu können.
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Die Strömungsmaschine ist mit einem Verflüssiger 18 gekoppelt, der ausgebildet ist, um den verdichteten Arbeitsdampf zu verflüssigen. Durch das Verflüssigen wird die in dem Arbeitsdampf enthaltene Energie dem Verflüssiger 18 zugeführt, um dann über den Vorlauf 20a einem Heizsystem zugeführt zu werden. Über den Rücklauf 20b fließt das Arbeitsfluid wieder in den Verflüssiger zurück.
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Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, dem energiereichen Wasserdampf direkt durch das kältere Heizungswasser die Wärme(-energie) zu entziehen, welche vom Heizungswasser aufgenommen wird, so dass dieses sich erwärmt. Dem Dampf wird hierbei so viel Energie entzogen, dass dieser verflüssigt wird und ebenfalls am Heizungskreislauf teilnimmt.
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Damit findet ein Materialeintrag in den Verflüssiger bzw. das Heizungssystem statt, der durch einen Ablauf 22 reguliert wird, derart, dass der Verflüssiger in seinem Verflüssigerraum einen Wasserstand hat, der trotz des ständigen Zuführens von Wasserdampf und damit Kondensat immer unterhalb eines Maximalpegels bleibt.
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Wie es bereits ausgeführt worden ist, wird es bevorzugt, einen offenen Kreislauf zu nehmen, also das Wasser, das die Wärmequelle darstellt, direkt ohne Wärmetauscher zu verdampfen. Alternativ könnte jedoch auch das zu verdampfende Wasser zunächst über einen Wärmetauscher von einer externen Wärmequelle aufgeheizt werden. Dabei ist jedoch zu bedenken, dass dieser Wärmetauscher wieder Verluste und apparativen Aufwand bedeutet.
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Darüber hinaus wird es bevorzugt, um auch Verluste für den zweiten Wärmetauscher, der auf Verflüssiger-Seite bisher notwendigerweise vorhanden ist, zu vermeiden, auch dort das Medium direkt zu verwenden, also, wenn an ein Haus mit Fußbodenheizung gedacht wird, das Wasser, das von dem Verdampfer stammt, direkt in der Fußbodenheizung zirkulieren zu lassen.
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Alternativ kann jedoch auch auf Verflüssiger-Seite ein Wärmetauscher angeordnet werden, der mit dem Vorlauf 20a gespeist wird und der den Rücklauf 20b aufweist, wobei dieser Wärmetauscher das im Verflüssiger befindliche Wasser abkühlt und damit eine separate Fußbodenheizungsflüssigkeit, die typischerweise Wasser sein wird, aufheizt.
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Aufgrund der Tatsache, dass als Arbeitsmedium Wasser verwendet wird, und aufgrund der Tatsache, dass von dem Grundwasser nur der verdampfte Anteil in die Strömungsmaschine eingespeist wird, spielt der Reinheitsgrad des Wassers keine Rolle. Die Strömungsmaschine wird, genauso wie der Verflüssiger und die ggf. direkt gekoppelte Fußbodenheizung immer mit destilliertem Wasser versorgt, derart, dass das System im Vergleich zu heutigen Systemen einen reduzierten Wartungsaufwand hat. Anders ausgedrückt ist das System selbstreinigend, da dem System immer nur destilliertes Wasser zugeführt wird und das Wasser im Ablauf 22 somit nicht verschmutzt ist.
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Darüber hinaus sei darauf hingewiesen, dass Strömungsmaschinen die Eigenschaften haben, dass sie – ähnlich einer Flugzeugturbine – das verdichtete Medium nicht mit problematischen Stoffen, wie beispielsweise Öl, in Verbindung bringen. Stattdessen wird der Wasserdampf lediglich durch die Turbine bzw. den Turboverdichter verdichtet, jedoch nicht mit Öl oder einem sonstigen Reinheits-beeinträchtigenden Medium in Verbindung gebracht und damit verunreinigt.
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Das durch den Ablauf abgeführte destillierte Wasser kann somit – wenn keine sonstigen Vorschriften im Wege stehen – ohne Weiteres dem Grundwasser wieder zugeführt werden. Alternativ kann es hier jedoch auch z. B. im Garten oder in einer Freifläche versickert werden, oder es kann über den Kanal, sofern dies Vorschriften gebieten – einer Kläranlage zugeführt werden.
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Die Kombination von Wasser als Arbeitsmittel mit dem um das 2-fache besseren nutzbaren Enthalpie-Differenz-Verhältnis im Vergleich zu R134a und aufgrund der damit reduzierten Anforderungen an die Geschlossenheit des Systems (es wird vielmehr ein offenes System bevorzugt), und aufgrund des Einsatzes der Strömungsmaschine, durch den effizient und ohne Reinheitsbeeinträchtigungen die erforderlichen Verdichtungsfaktoren erreicht werden, wird ein effizienter und umweltneutraler Wärmepumpenprozess geschaffen, der dann, wenn im Verflüssiger der Wasserdampf direkt verflüssigt wird, noch effizienter wird, da dann im gesamten Wärmepumpenprozess kein einziger Wärmetauscher mehr benötigt wird.
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5B zeigt eine Tabelle zur Illustration verschiedener Drücke und der diesen Drücken zugeordneten Verdampfungstemperaturen, woraus sich ergibt, dass insbesondere für Wasser als Arbeitsmedium recht niedrige Drücke im Verdampfer zu wählen sind.
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Um eine Wärmepumpe mit einem hohen Wirkungsgrad zu erreichen, ist es wichtig, dass alle Komponenten günstig ausgelegt sind, also der Verdampfer, der Verflüssiger und der Verdichter.
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Andererseits ist es von großer Bedeutung, dass die Wärmepumpe eine hohe Langzeitstabilität hat, weil sie je nach Einsatz sehr lange laufen muss, ohne dass ein Schaden auftritt bzw. ohne dass eine Wartung erforderlich ist.
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Insbesondere dann, wenn als Arbeitsmedium Wasser eingesetzt wird, und wenn zum Komprimieren eine Strömungsmaschine, wie beispielsweise ein Turboverdichter oder ein Radialkompressor, eingesetzt wird, sind relativ hohe Drehzahlen des Kompressorrads nötig.
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Andererseits ist problematisch, dass bei der Verdampfung nicht nur reiner Dampf entsteht, sondern Dampf und zusätzlich Tröpfchen der Arbeitsflüssigkeit. Wenn diese Tröpfchen der Arbeitsflüssigkeit jedoch im Kompressor auf das sich sehr schnell drehende Radialrad aufschlagen, kann es dort zu Beschädigungen des Radialrads kommen, die dadurch vermieden werden können, dass die Verdampfungseffizienz im Verdampfer reduziert wird, dass also die Parameter im Verdampfungsraum so eingestellt werden, dass die im Verdampfungsraum zu verdampfende Flüssigkeit nicht zu stark in Bewegung ist. Dies hat jedoch den Nachteil, dass die Effizienz im Verdampfer fällt, und dass, um eine genügend große Menge an Dampf für eine notwendige Leistung der Wärmepumpe zu erhalten, ein größeres Volumen nötig wird.
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Die andere Möglichkeit besteht darin, einen Tropfenabscheider vorzusehen, der sicherstellt, dass der Dampf, der das Radialrad erreicht, keine oder nur eine sehr geringe Anzahl von Tröpfchen enthält.
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Wichtig bei diesem Tropfenabscheider ist jedoch, dass der Abscheider selbst keine besonders großen Verluste mit sich bringt. Stellt der Tropfenabscheider einen großen Widerstand für den Dampf dar, so muss dieser Widerstand durch eine noch höhere Drehzahl des Kompressors ausgeglichen werden, was wiederum effizienzmäßig und volumenmäßig problematisch ist. So hat sich herausgestellt, dass Tropfenabscheider in der Form eines Geflechts aus Kunststofffäden zwar einfach und preisgünstig in der Herstellung und im Aufbau sind, jedoch zum einen dennoch Tropfen durchlassen, die zu den Problemen im Radialrad führen können, und zum anderen dann, wenn sie derart ausgelegt werden, dass sie nur eine sehr geringe Anzahl oder keine Tropfen mehr durchlassen, einen relativ hohen Widerstand für den Dampf darstellen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein effizienteres Tropfenabscheiderkonzept zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Tropfenabscheider nach Anspruch 1, einen Verdampfer mit einem Tropfenabscheider nach Anspruch 14 oder ein Verfahren zum Herstellen eines Tropfenabscheiders nach Anspruch 17 gelöst.
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Die vorliegende Erfindung basiert auf der Idee, dass eine Tropfenabscheidung effizient und gleichzeitig ohne signifikante Verluste dadurch erreicht werden kann, dass eine Mehrzahl von gekrümmten Lamellen aus einem typischerweise starren Material eingesetzt wird, die von einem Halter gehalten werden. Insbesondere sind die Lamellen und die Halter so ausgebildet, dass ein direkter Durchgang durch den Tropfenabscheider verdeckt ist, derart, dass Tropfen aufgrund einer Tropfen-Flugbahn in dem Dampf-Tropfen-Gemisch, aus dem der Tropfenabscheider die Tropfen abscheiden soll, den Tropfenabscheider nicht durchlaufen, sondern auf einer Lamelle auftreffen.
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Andererseits kann der Dampf, ohne dass es hierbei zu signifikanten Verlusten kommt, den Tropfenabscheider durchlaufen. Dies bedeutet, dass sehr effizient Tropfen, dadurch dass sie auf den Lamellen auftreffen und von dort gewissermaßen nach unten fließen und in den Verdampferraum abtropfen, zurückgehalten werden, während der Dampf durch den Tropfenabscheider hindurch gelangen kann. Sichergestellt wird die Tropfenabscheidung auch dadurch, dass es keinen direkten Durchgang durch den Tropfenabscheider gibt, dass man also, würde man den Tropfenabscheider ins Licht halten, nicht durch den Tropfenabscheider hindurchsehen kann. Damit kann ein Tröpfchen, das sich typischerweise auf einer geraden Flugbahn befindet, nicht durch den Tropfenabscheider durchkommen.
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Die Richtungsumlenkung für den Dampf findet so statt, dass der Dampf durch die gekrümmten Lamellen im Verdampfungsraum, also dort, wo der Übergang von der flüssigen Phase in die Gasphase stattfindet, gewissermaßen „ergriffen” wird, durch die Lamellen hindurchgeleitet wird und auf der anderen Seite des Tropfenabscheiders mit einer Richtung ausgegeben wird, die optimal an den Weg anpassbar ist, den der Dampf dann nach dem Tropfenabscheider zurücklegen muss. Typischerweise wird sich dort ein Saugmund eines Kompressors befinden, der trichterförmig ist und von einem größeren Durchmesser auf einen kleineren Durchmesser hin den Dampf zusammenfasst. Vorzugsweise sind die Krümmungen der Lamellen am Ausgang des Tropfenabscheiders zum Saugmund hin so ausgelegt, dass der Dampf bereits optimal in den Saugmund hineingeleitet wird, also in einen mittleren Bereich hin geleitet wird. Damit wird sichergestellt, dass weder vor dem Tropfenabscheider noch nach dem Tropfenabscheider noch vor oder an dem Saugmund des Kompressors Verluste oder Wirbel stattfinden, die den Wirkungsgrad der Wärmepumpe beeinträchtigen würden. Andererseits wird jedoch sichergestellt, dass Tropfen effizient aus dem Dampf entfernt werden, so dass hinter dem Tropfenabscheider keine oder nur eine minimale Menge an sehr kleinen Tropfen vorhanden ist, die selbst dann, wenn sie auf ein Verdichterrad auftreffen würden, dort keinen Schaden mehr anrichten können.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Darstellung eines Tropfenabscheider gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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2 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Tropfenabscheiders gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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3 eine detailliertere Querschnittsansicht eines Tropfenabscheiders gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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4 eine schematische Darstellung eines Verdampfers mit angeschlossenem Kompressor und angeschlossenem Verflüssiger;
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5A eine Übersichtsdarstellung einer bekannten Wärmepumpe; und
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5B eine tabellarische Darstellung verschiedener Drücke und zugeordneter Verdampfungstemperaturen.
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1 zeigt einen Tropfenabscheider in perspektivischer Ansicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, während eine schematische Querschnittsdarstellung eines Tropfenabscheiders in 2 dargestellt ist. Insbesondere ist der Tropfenabscheider 200 in 2 ausgebildet, um Tropfen aus einem bewegten Dampf-Tropfen-Gemisch abzuscheiden. Das bewegte Dampf-Tropfen-Gemisch befindet sich in 2 unterhalb des Tropfenabscheiders in einem Bereich 202, während oberhalb des Tropfenabscheiders, also in einem Bereich 204, im idealen Fall lediglich noch Dampf vorhanden ist, jedoch keine Tropfen mehr. Im unteren Bereich 202 existiert aufgrund des stattfindenden Verdampfungsprozesses, der dadurch erreicht wird, dass der Druck im Verdampfer so ist, dass die Verdampfungstemperatur bei oder in der Nähe der Temperatur des zu verdampfenden Mediums gebracht wird, eine relativ chaotische Bewegung von Wasserdampf einerseits und Tropfen andererseits. Gleichzeitig wird das Dampf-Tropfen-Gemisch von dem Kompressor, der oberhalb des Tropfenabscheiders seinen Saugmund hat, wie es beispielsweise noch anhand von 4 dargestellt wird, nach oben angezogen. Dadurch werden Tropfen typischerweise auf einer geraden Bahn beschleunigt, und diese Tropfen fallen, wie es durch bestimmte Trajektorien in 2 bei 206 dargestellt ist, auf eine Mehrzahl von gekrümmten Lamellen 201, 202, 203, die aus einem vorzugsweise starren Material gebildet sind. Ferner umfasst der Tropfenabscheider auch einen Halter 204, 205 zum Halten der gekrümmten Lamellen in einem bestimmten Abstand zueinander. Insbesondere sind die Lamellen 201–203 sowie der Halter 204, 205 so ausgebildet, dass ein direkter Durchgang durch den Tropfenabscheider verdeckt ist, so, dass Tropfen aufgrund der Tropfen-Flugbahn in dem Dampf-Tropfen-Gemisch den Tropfenabscheider nicht durchlaufen können, sondern auf einer Lamelle auftreffen, wie es anhand der Trajektorien 206 gezeigt ist.
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Dagegen kann der Dampf ohne Probleme die Zwischenräume zwischen den Lamellen 201, 202, 203 durchdringen. Insbesondere wird der Dampf aufgrund der Krümmungen der Lamellen im unteren Bereich 202 sanft umgelenkt, läuft dann an der gekrümmten Wand der jeweiligen Lamelle entlang, wird dann wieder umgelenkt und oberhalb des Tropfenabscheiders 204 existiert dann ein relativ gerichteter Dampfstrom, der zur Mitte hin gerichtet ist, wie es in 2 symbolisch dargestellt wird. Aufgrund der Krümmung der einzelnen Lamellen wird der Dampf also durch den Tropfenabscheider nicht nur von den Tropfen der Arbeitsflüssigkeit befreit, sondern wird auch gleichzeitig strömungstechnisch optimal umgelenkt, und zwar in Richtung und mit einer Tendenz, wie sie für einen Saugmund eines nachfolgend angeordneten Kompressors optimal ist.
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1 zeigt einen Tropfenabscheider gemäß einem Ausführungsbeispiel in perspektivischer Ansicht, wobei wieder die Lamellen 201, 202, 203 dargestellt sind, die von den Haltern 204, 208, 209, 210, 211 zueinander gehalten werden. Die Halter sind bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel als senkrechte Wände ausgebildet, die sämtliche Lamellen in Eingriff nehmen und zueinander in Form und Abstand halten. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind sechs solche Wände vorgesehen, wobei zwischen jeder Wand ein Winkel von 60° vorhanden ist. Es können jedoch auch weniger solche Wände vorgesehen sein, wie beispielsweise lediglich zwei Wände, wobei zwischen den beiden Wänden ein Winkel von 90° vorhanden ist. Es können jedoch auch drei, vier oder fünf Wände vorgesehen sein, wobei es bevorzugt wird, dass diese Wände gleichmäßig über den Kreis verteilt sind, damit alle Bereiche des bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels eines kreisförmigen Tropfenabscheiders gleich gut in Form und Stabilität gehalten werden.
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Ferner sind in 1 insgesamt 11 Lamellen angeordnet, wobei jede Lamelle denselben Krümmungsradius aufweist, wie es anhand von 3 dargestellt ist. Insbesondere hat jede Lamelle bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel, das in 3 detaillierter dargestellt ist, einen Krümmungsradius, der vorzugsweise zwischen 1 cm und 10 cm ist und besonders bevorzugt zwischen 4,5 cm und 5,5 cm liegt. Nach dem Krümmungsradius richtet sich auch die Dichte der Lamellen, also wie viel Lamellen pro Länge entlang des Radius des Tropfenabscheiders angeordnet sind. Die Dichte der Lamellen ist nämlich so, dass ein direkter Durchgang nicht möglich ist, wie es bei 300 in 3 dargestellt ist. Ein Wassertropfen, der also eine gerade Bahn durch den Tropfenabscheider nimmt, wird unweigerlich auf irgendeiner der Lamellen auftreffen, von dort nach unten abtropfen und somit zurück in den Verdampfungsraum gelangen. Stärkere Krümmungsradien führen zu einer stärkeren Umlenkung des Dampfes, während größere, als Krümmungsradien mit sanfterer Krümmung zu einer kleineren Umlenkung des Dampfes führen, jedoch auch dazu, dass die Lamellen dichter angeordnet werden müssen, um den direkten Durchgang zu vermeiden. Vorzugsweise beträgt der Durchmesser des Tropfenabscheiders, wie in 1 gezeigt ist, 40 cm und es werden vorzugsweise 11 ringförmige umlaufende Lamellen vorgesehen, die jeweils einen Abstand von 0,5 cm haben. Andere Maße können jedoch ebenfalls genommen werden. Die Dichte der Lamellen hängt auch damit zusammen, wie hoch der Tropfenabscheider ausgebildet wird. Vorzugsweise wird eine Höhe von 70 mm verwendet, wobei eine Minimalhöhe von 2 cm sich als günstig herausgestellt hat, wobei jedoch Höhen von größer als 5 cm bessere Umlenkeigenschaften gezeigt haben, und insbesondere Höhen von mehr als 60 mm bevorzugt werden.
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Bei den in 1, 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispielen ist der Tropfenabscheider kreisförmig bzw. zylinderförmig ausgebildet. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann der Tropfenabscheider jedoch auch rechteckig bzw. quaderförmig oder als Zylinder mit einer nicht kreisrunden seitlichen Begrenzung, sondern z. B. mit einer elliptischen seitlichen Begrenzung oder einer Form einer Pyramide ausgebildet sein. Insbesondere mit einem eckigen Außenmaß waren die Lamellen ebenfalls umlaufende Elemente, jedoch nicht mehr kreisrund, sondern eckig bzw. so wie das Außenmaß des Tropfenabscheiders gestaltet.
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Bei einem Ausführungsbeispiel hat der Tropfenabscheider in der Draufsicht eine runde Form. Dabei sind die Lamellen sowohl an einem oberen Ende, also oben in 1, 2, oder 3, als auch an einem unteren Ende, also unten in den Figuren zu einem Mittelbereich des Tropfenabscheiders hin gekrümmt. Unabhängig davon, ob der Tropfenabscheider kreisförmig, rechteckförmig, elliptisch oder eine sonstige Form hat, kann für jeden Tropfenabscheider ein Mittelbereich definiert werden, der sich dadurch ergibt, dass eine Achse bei einer Rotationssymmetrie oder zwei Achsen bei einer Ellipse in diesem Mittelbereich enthalten sind, so dass der Tropfenabscheider unabhängig von seiner ganz speziellen Implementierung immer dazu führt, dass der aus dem Tropfenabscheider austretende Dampf gewissermaßen zur Mitte hin „komprimiert” wird und damit von einem oberhalb des Tropfenabscheiders angeordneten Saugmund ohne große Verwirbelungen und Verluste angesaugt werden kann.
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Bei den in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen bildet die Mehrzahl von Lamellen einen vollen Ring. Diese Eigenschaft und die Eigenschaft der Krümmung der Lamelle führt dazu, dass der ausströmende Dampf in die Mitte hin verdichtet wird, und dass gleichzeitig unterhalb des Tropfenabscheiders, wo noch eher chaotische Dampf/Tropfen-Bewegungen stattfinden, der Dampf relativ sanft ergriffen und umgelenkt wird, während die Tropfen aufgrund ihrer eher geraden Flugbahn auf die Lamellen auftreffen und den Tropfenabscheider nicht durchdringen können.
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Obgleich bei den in 1, 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispielen die Lamellen alle gleich gekrümmt sind, kann bei anderen Ausführungsbeispielen die Krümmung der Lamellen von außen nach innen variieren, derart, dass die Lamellen beispielsweise außen stärker gekrümmt und weiter innen schwacher gekrümmt sind. Damit einhergehend oder alternativ kann auch die Dichte der Lamellen bezüglich des Tropfenabscheiders, also die Anzahl der Lamellen pro Länge des Tropfenabscheiders beispielsweise variieren. So wäre die Dichte der Lamellen in der Mitte höher als am Rand, wenn der Krümmungsradius in der Mitte schwacher ist als außen. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Höhe des Tropfenabscheiders von der Mitte nach außen variieren. So könnte der Tropfenabscheider beispielsweise in der Mitte höher als am Rand sein. Damit könnte man, ohne die Anzahl der Lamellen pro Strecke des Tropfenabscheiders zu erhöhen, den Krümmungsradius in der Mitte im Vergleich zum Rand desselben reduzieren.
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Bei den in den Figuren gezeigten Ausfürungsbeispielen ist jede Lamelle als Sektor aus einer Kugelhülle gebildet, wobei der Winkel des Sektors durch die Höhe des Tropfenabscheiders bestimmt wird.
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Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Tropfenabscheider als Kunststoff-Spritzgussteil ausgebildet, wobei die obere Hälfte 290 und die untere Hälfte 291 aus derselben Kunststoff-Spritzgussform gegossen sind, so dass die obere Hälfte 290 und die untere Hälfte 291 identisch sind. Anschließend werden jeweils zwei identische Hälften aneinandergefügt, beispielsweise durch Kleben, Schweißen oder eine ähnliche Verbindungstechnik zur Verbindung von Kunststoffteilen.
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Vorzugsweise wird als Material ein starres Kunststoffmaterial verwendet, das sicherstellt, dass der Tropfenabscheider in struktureller Form bleibt. Hierzu können beliebige Kunststoff-Spritzgussmaterialien eingesetzt werden. Der Tropfenabscheider in 1 ist insbesondere geeignet für einen Einsatz einer Wärmepumpe, bei der der Verflüssiger oberhalb des Verdampfers angeordnet ist, und bei der der Wasserzulauf bzw. Wasserrücklauf vom Verflüssiger durch den Verdampfer läuft. Zu diesem Zweck ist eine erste Aussparung 280 vorgesehen, um einen Zulauf zum Verflüssiger durch den Tropfenabscheider zu lassen, und es ist eine zweite Aussparung 281 vorgesehen, durch die der Rücklauf aus dem Kondensator, also die aufgewärmte Arbeitsflüssigkeit strömen kann. Die beiden Aussparungen 280, 281 sind derart ausgebildet, dass sie eine entsprechende Rohrleitung aufnehmen können.
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Darüber hinaus ist ein weiterer Durchlass 282 vorgesehen, durch den ein Überlauf aus dem Kondensator durchgeführt werden kann, sofern dieser eingesetzt wird. Ein entsprechend symmetrischer Durchlass ist bei 283 dargestellt.
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Nachfolgend wird Bezug nehmend auf 4 ein beispielhafter Verdampfer mit einem Tropfenabscheider gemäß 1 oder einem anderen Tropfenabscheider gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung oder mit einem beliebigen anderen Tropfenabscheider dargestellt. Der Verdampfer umfasst ein Verdampfergehäuse 400, einen Zulauf 402 für zu verdampfende Arbeitsflüssigkeit, die über einen Aufweiter 403 in den Verdampfer gebracht wird. Dort findet eine Aufweitung auf etwa 170 mm Durchmesser statt, wobei das gesamte Verdampfergehäuse zylinderförmig ist und vorzugsweise einen Durchmesser von 400 mm hat, wie es in 4 eingezeichnet ist. Die über den Einlauf 402 und den Aufweiter 403 zugeführte Arbeitsflüssigkeit wird ferner durch eine Verteilerscheibe 404 nach oben hin abgeschirmt, so dass die Arbeitsflüssigkeit nicht direkt nach oben verdampfen kann, sondern an einem Schlitz 405, der vorzugsweise eine Dicke von etwa 40 mm hat, seitlich austreten kann, wie es durch die Pfeile dargestellt ist. Aufgrund des Unterdrucks im Verdampfer bzw. aufgrund der Tatsache, dass der Druck im Verdampfer so gehalten wird, dass die Arbeitsflüssigkeit bei der Temperatur, mit der sie in den Verdampfer eintritt, verdampft, findet mit der Arbeitsflüssigkeit unmittelbar nachdem sie aus dem ringförmigen Schlitz 405 ausgetreten ist, ein Verdampfungsprozess statt, wie es durch Pfeile 406 angedeutet ist. Gleichzeitig läuft eine nicht verdampfte Arbeitsflüssigkeit nach unten, wie es durch einen Pfeil 407 gezeigt ist, und die verdampfte Arbeitsflüssigkeit sammelt sich am Boden des Verdampfers und wird über einen Ablauf, der in 4 nicht gezeigt ist, abgeführt und typischerweise wieder in den Kreislauf eingespeist. Oberhalb der Verteilerscheibe 404, die vorzugsweise strömungsmäßig optimal geformt ist, und die entweder oberhalb des Wasserspiegels sein kann, jedoch vorzugsweise in den Wasserspiegel eingetaucht ist, um eine strömungsmäßig optimale Situation zu schaffen, findet der Verdampfungsprozess hauptsächlich statt, so dass zwischen der Scheibe 404 und einem Tropfenabscheider 408 ein Dampf-Tropfen-Gemisch vorhanden ist, das nach oben bewegt wird, und zwar aufgrund der Arbeit, die durch einen Kompressor 409 geleistet wird. Der Kompressor 409 saugt über die Saugleitung 410 und den Aufweiter 411 und über den Saugmund 412, der das Ende des Aufweiters 411 bildet, das Dampf-Tropfen-Gemisch unterhalb des Tropfenabscheiders 408 nach oben. Durch diese Ansaugung werden Tropfen auf eine relativ gerade Bahn beschleunigt, was natürlich auch für den Dampf gilt. Der Dampf wird jedoch durch die gekrümmten Lamellen des Tropfenabscheiders abgelenkt und gewissermaßen durch die Tropfenabscheider 408 hindurch gelenkt, während die Tropfen auf die Lamellen des Tropfenabscheiders auftropfen und wieder nach unten in den Verdampfungsraum herunterfallen und dort entweder direkt verdampfen oder aber in den Ablauf gebracht werden, und zwar aufgrund der Schwerkraft. Aufgrund der Krümmung der Lamellen findet bereits eine optimale strömungsmäßig günstige Ausrichtung des nun von den Tropfen befreiten Dampfes zu dem Saugmund 412 hin statt, wie es schematisch durch die Pfeile 413 angedeutet ist.
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Der von den Tropfen befreite Dampf wird dann im Kompressor verdichtet, wodurch sich die Temperatur des Dampfes deutlich erhöht. Der nunmehr am Ausgang des Kompressors 409 in der Verflüssigerzuleitung 415 vorhandene Dampf hat nunmehr ein deutlich höheres Temperaturniveau als am Eingang des Kompressors in der Leitung 410. Die Energie, die der Dampf in der Leitung 415 mit sich trägt, gibt er dann in einem Verflüssiger 416 ab, wobei die Energie dann beispielsweise direkt oder über einen Wärmetauscher zu Heizzwecken verwendet wird, wenn die Wärmepumpe als Heizung betrieben wird. Wird die Wärmepumpe dagegen als Kühlung betrieben, so stellt der Verdampferauslass die Kühlflüssigkeit dar, und stellt der Verflüssigerauslauf, also der Abtransport der warmen Arbeitsflüssigkeit zu einer Wärmesenke, gewissermaßen die „Abwärme” dar.
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Besonders in Verbindung mit einem Saugmund, der einen Durchmesser hat, der z. B. bei 250 mm liegt, wie es in 4 dargestellt ist, ist die vorliegende Erfindung im Hinblick auf den Tropfenabscheider günstig, weil die Krümmung der einzelnen Lamellen so ausgelegt ist, dass eine Konzentration des Dampfes bzw. eine Umlenkung des Dampfes in den mittleren Bereich strömungsmäßig optimal stattfindet. Der Tropfenabscheider hat somit nicht nur die Funktion der Tropfenabscheidung, sondern auch gleichzeitig die Funktion der strömungsmäßig günstigen Umlenkung des Dampfes in den Bereich zentral zum Saugmund hin.
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4 stellt eine schematische Querschnittsansicht dar, wobei in 4 diverse Längenangaben dargelegt sind. Bevorzugte Implementierungen für die Längenangaben liegen im Bereich von +/–50% der Längenangaben. Wenn beispielsweise eine Längenangabe von 250 mm gegeben ist, wie beispielsweise für den Saugmunddurchmesser, so würde es genauso bevorzugt, den Saugmund um +/–50% zu gestalten, was bedeutet, dass der Saugmund beispielsweise zwischen 125 mm und 375 mm sein kann, während dies zum Beispiel für den Durchmesser des Tropfenabscheiders, der vorzugsweise etwas kleiner als 400 mm ist, dahingehend dass der Tropfenabscheider auch etwas kleiner sein kann. Ist der Tropfenabscheider nämlich zum Beispiel mit einem Durchmesser von 380 mm ausgebildet, so liegt er nicht direkt am Verdampfergehäuse 400 an. Dies bedeutet jedoch noch nicht, dass durch den schmalen Schlitz Tropfen hindurch gelangen können, da der Tropfenabscheider auch eine gewisse Höhe hat, und da es unwahrscheinlich ist, dass Tropfen, die relativ gerade an der Seite am Tropfenabscheider vorbei hoch gelangen können, dann in den Saugmund kommen. Stattdessen ist es wesentlich wahrscheinlicher, dass dann, wenn ein Tropfen tatsächlich am Rand des Tropfenabscheiders vorbeikommt, dieser Tropfen dann auch nicht in den Saugmund kommt.
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Darüber hinaus ist aus 1 ersichtlich, dass der Tropfenabscheider in der Mitte eine Durchgangsöffnung haben kann. Diese Durchgangsöffnung ist jedoch unproblematisch, weil in der Mitte aufgrund der Konstruktion des Aufweiters 403 und der Verteilerscheibe 404 keine Tröpfchen entstehen, die eine nahezu senkrecht nach oben gerichtete Bahn durch die mittlere Öffnung des Tropfenabscheiders annehmen können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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