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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf thermodynamische Geräte und insbesondere auf thermodynamische Geräte mit mehreren Flüssigkeitsbehältern, die unter unterschiedlichen Drücken arbeiten, wie es beispielsweise bei Wärmepumpen der Fall ist.
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Das europäische Patent
EP 2 016 349 B1 offenbart eine Wärmepumpe mit einem Wasserverdampfer, einem Verdichter und einem Verflüssiger. Im Wärmepumpenbetrieb ist der Druck im Verdampfer so eingestellt, dass zu verdampfende Arbeitsflüssigkeit, wie beispielsweise Wasser, bei der geforderten Temperatur, die z. B. bei +10° Celsius liegt, verdampft. Der Verdichter, der als Strömungsmaschine mit Radialrad ausgebildet ist, komprimiert den Wasserdampf und transportiert den komprimierten Wasserdampf in einen Verflüssiger. Aufgrund der Dampfkompression wird die Temperatur des Dampfes von der Temperatur im Verdampfer auf eine höhere Temperatur, wie beispielsweise 40 oder 50° Celsius angehoben. Der erwärmte Dampf kondensiert im Verflüssiger und erwärmt so die Arbeitsflüssigkeit im Verflüssiger. Ist die Wärmepumpe im Heizbetrieb, so kann die in den Verflüssiger durch den komprimierten Dampf eingebrachte Wärme zur Gebäudeheizung eingesetzt werden. Arbeitet die Wärmepumpe dagegen im Kühlbetrieb, so wird die in den Verflüssiger eingebrachte Wärme als Abwärme abgegeben, während die durch die Verdampfung im Verdampfer abgekühlte Arbeitsflüssigkeit zur Kühlung eingesetzt wird.
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Durch den Wärmepumpenbetrieb findet ein ständiger Material-Hin-Transport vom Verdampfer in den Verflüssiger statt. Um sicherzustellen, dass der Verflüssiger nicht überläuft, ist ein Ablauf vorgesehen, durch den über eine Pumpe bzw. ein Ventil zur Druckregelung verflüssigtes Wasser zurück in Richtung des Verdampfers geführt wird.
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Typische Wärmepumpen haben als Pumpe bzw. Ventil zur Druckregelung eine einstellbare Drossel, um eine Umsetzung von hohem Druck im Verflüssiger zu niedrigem Druck im Verdampfer zu schaffen. Die durch den Ablauf zurück transportierte Menge an Arbeitsflüssigkeit variiert stark, weil die hin-transportierte Arbeitsflüssigkeit durch den Verdampfungs/Kompressions/Verflüssigungsprozess ebenfalls stark variiert. Dies liegt daran, dass die Wärmepumpe mit steigender Leistung bzw. mit steigender Temperaturspreizung, also der Temperaturdifferenz zwischen der hohen Temperatur im Verflüssiger und der niedrigen Temperatur im Verdampfer variiert. Muss eine Wärmepumpe viel Leistung zum Heizen oder Kühlen erbringen, so wird mehr Arbeitsflüssigkeit transportiert als wenn eine Wärmepumpe wenig Leistung zum Heizen oder Kühlen liefern muss. Daher ist typischerweise die Drossel einstellbar, um den weiten Bereich an unterschiedlichen Durchflüssen in dem Ablauf bewältigen zu können.
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Nachteilig an diesem Konzept ist, dass die Drossel, die sogar einstellbar zu sein hat, zusätzliche Kosten und zusätzliche Verluste im Wärmepumpenprozess mit sich bringt. Insbesondere aufgrund der typischerweise in solchen Drosseln stattfindenden spontanen Verdampfung der warmen Arbeitsflüssigkeit, die in den Niederdruckbereich gelangt, werden Energieverluste erzeugt und werden ferner auch Geräusche erzeugt, die zum insgesamten Geräuschpegel der Wärmepumpe beitragen. Insbesondere dann, wenn eine Wärmepumpe im Masseneinsatz sein soll, was bei typischen Wärmepumpen der Fall ist, spielen auch die Kosten für dieses zusätzliche Bauteil und die nötige Steuerung keine zu unterschätzende Rolle, wobei zusätzlich auch die Störanfälligkeit zu nennen ist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein effizienteres thermodynamisches Gerät zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch ein thermodynamisches Gerät gemäß Anspruch 1 oder ein Verfahren zum Herstellen eines thermodynamischen Geräts gemäß Anspruch 15 gelöst.
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Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass eine einfache Ausgleichsröhre statt einer einstellbaren Drossel ausreicht, um den Rücktransport von Arbeitsflüssigkeit von einem zweiten Flüssigkeitsbehälter, der beispielsweise bei einer Wärmepumpe der Verflüssiger sein kann, zu einem ersten Flüssigkeitsbehälter, der bei einer Wärmepumpe der Verdampfer sein kann, zu bewirken. Die Ausgleichsröhre umfasst einen Einlauf, der in dem zweiten Flüssigkeitsbehälter, wie beispielsweise dem Verflüssiger angeordnet ist, um im Betrieb einen Arbeitsflüssigkeitspegel in dem zweiten Flüssigkeitsbehälter zu definieren. Der Auslauf der Ausgleichsröhre ist wiederum im ersten Flüssigkeitsbehälter angeordnet, so dass Arbeitsflüssigkeit von dem Einlauf in den Auslauf durch die Ausgleichsröhre transportierbar ist. Ferner wird der Einlauf in Aufstellrichtung höher als der Auslauf angeordnet. Darüber hinaus umfasst die Ausgleichsröhre einen gekrümmten Abschnitt, dessen niedrigster Bereich im Betrieb unter dem Auslauf angeordnet ist. Damit existiert ein thermodynamisches Gerät, bei dem Arbeitsflüssigkeit im Betrieb von dem ersten Flüssigkeitsbehälter zu dem zweiten Flüssigkeitsbehälter hin-transportiert wird, und bei dem durch die Ausgleichsröhre Arbeitsflüssigkeit von dem zweiten Flüssigkeitsbehälter zu dem ersten Flüssigkeitsbehälter zurücktransportiert wird, um einen Überlauf des zweiten Flüssigkeitsbehälters oder aber einen Mangel an Arbeitsflüssigkeit im ersten Flüssigkeitsbehälter zu vermeiden.
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Die Ausgleichsröhre wirkt aufgrund der speziellen Anordnung des Einlaufs und des Auslaufs als gravitatorische Drossel, die zudem selbstregelnd ist. Gleichzeitig definiert die gravitatorische Drossel aufgrund der Positionierung des Einlaufs im zweiten Flüssigkeitsbehälter den Flüssigkeitspegel in dem zweiten Flüssigkeitsbehälter, der den höheren Druck als der erste Flüssigkeitsbehälter hat. Sobald in dem Hochdruck-Flüssigkeitsbehälter zusätzlich Arbeitsflüssigkeit vorhanden ist, wird diese Arbeitsflüssigkeit in den ersten Flüssigkeitsbehälter zurückgebracht. Je nach spezifizierter maximaler Druckdifferenz des thermodynamischen Geräts zwischen dem zweiten Flüssigkeitsbehälter und dem ersten Flüssigkeitsbehälter wird eine maximale Höhe des gekrümmten Abschnitts der Ausgleichsröhre ausgelegt, damit der Flüssigkeitsstand in der Nähe des Einlaufs nicht den niedrigsten Bereich erreicht, damit also in dem gekrümmten Abschnitt immer noch auch bei höchster Druckdifferenz des thermodynamischen Geräts Arbeitsflüssigkeit angeordnet ist, um eine Druckbarriere zwischen dem hohen Druck und dem niedrigen Druck zu halten.
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Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem die Arbeitsflüssigkeit im zweiten Flüssigkeitsbehälter wärmer als im ersten Flüssigkeitsbehälter ist, kann die Höhe des gekrümmten Abschnitts deutlich reduziert werden. Dies liegt daran, dass sich dort, wo in der Ausgleichsröhre die warme Arbeitsflüssigkeit in den ersten Flüssigkeitsbehälter eintritt, also in der Nähe des Auslaufs außerhalb der Ausgleichsröhre oder in der Nähe des Auslaufs bereits innerhalb der Ausgleichsröhre eine zusätzliche Dampfbarriere bildet. Dies liegt darin, dass die warme Arbeitsflüssigkeit, wenn sie in der Nähe des Auslaufs auf die kalte Arbeitsflüssigkeit im ersten Flüssigkeitsbehälter trifft, zu verdampfen beginnt, also eine Tendenz zur Siedung bzw. zur Blasenbildung zeigt. Dadurch entsteht in der Ausgleichsröhre eine „Dampfbarriere” und damit ein zusätzlicher Druckabfall. Dieser zusätzliche Druckabfall ermöglicht es, die Höhe des gekrümmten Abschnitts, also die Höhe der typischerweise U-förmigen Ausgleichsröhre deutlich zu reduzieren.
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Wenn die spezifizierte Druckdifferenz, die das thermodynamische Gerät maximal zu verarbeiten hat, z. B. 200 mbar ist, was insbesondere dann der Fall ist, wenn als Arbeitsflüssigkeit einfaches Wasser verwendet wird, dann wäre eine geforderte Höhe des gekrümmten Abschnitts maximal 2 m. Dies bedeutet, dass die Wärmepumpe, wenn sie zum Heizen oder Kühlen aufzustellen ist, unterhalb des Verflüssigers noch einmal einen Raum von 2 m zum Aufstellen benötigt, um die erfindungsgemäße gravitatorische Drossel zu bilden.
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Diese zusätzliche Höhe führt zu einer Vergrößerung des gesamten Wärmepumpenaufbaus. Aufgrund der zusätzlichen Druckdifferenz, die dann stattfindet, wenn die Temperatur der Arbeitsflüssigkeit im ersten Flüssigkeitsbehälter niedriger als die Temperatur im zweiten Flüssigkeitsbehälter ist, also aufgrund des zusätzlichen Druckabfalls aufgrund der Dampfbarriere kann diese Höhe von beispielsweise 2 m deutlich reduziert werden, und zwar auf bis zu 5 cm oder sogar 2 cm, wobei dennoch ein sicheres thermodynamisches Gerät geschaffen wird, das eine gravitatorische Drossel aufweist, die eine sichere Trennung des Drucks im zweiten Flüssigkeitsbehälter vom Druck im ersten Flüssigkeitsbehälter schafft, ohne dass über die Ausgleichsrohre ein Druckausgleich zwischen den Flüssigkeitsbehältern stattfindet.
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Die vorliegende Erfindung ist dahin gehend vorteilhaft, dass kein steuerbares Ventil mit allen Problemen der zusätzlichen Verluste, der Störanfälligkeit und der zusätzlichen Kosten benötigt wird. Sattdessen wird eine einfache Ausgleichsröhre benötigt, die z. B. als Schlauch aus Kunststoff oder auch aus Metall als ganz einfache Leitung ausgebildet sein kann, deren Durchmesser kleiner als 10 cm sein kann. Andererseits wird ein Minimaldurchmesser von wenigstens 1 cm oder eine Minimal-Querschnittsfläche von 0,8 cm2 bevorzugt.
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Das thermodynamische Gerät zeichnet sich ferner dann, wenn eine Dampfbarriere zusätzlich die gravitatorische Drossel unterstützt, durch eine geringe Aufstellhöhe aus, weil der Raum ”nach unten”, in dem die gravitatorische Drossel anzubringen ist, aufgrund der zusätzlichen Dampfbarriere deutlich reduziert ist.
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Zusätzliche Vorteile des thermodynamischen Geräts mit einfacher Ausgleichsröhre bestehen in der Wartungsfreiheit der Ausgleichsröhre, in der automatischen Einstellung des Flüssigkeitspegels im zweiten Flüssigkeitsbehälter, der durch den Einlauf der Ausgleichsröhre bestimmt wird, ohne dass weitere Vorkehrungen, wie Schwimmer etc. nötig sind, und in der flexiblen Anbringbarkeit des Auslaufs im ersten Flüssigkeitsbehälter, wo es konstruktive Maßnahmen erlauben, solange der Auslauf unterhalb des Betriebs-Flüssigkeitspegels im ersten Flüssigkeitsbehälter ist. Auch der Einlauf kann beliebig angebracht werden, solange er den Flüssigkeitspegel definiert, z. B. durch den Boden des zweiten Flüssigkeitsbehälters hindurch als vorstehende Röhre oder seitlich am zweiten Flüssigkeitsbehälter an der Stelle, an der der definierte Flüssigkeitspegel sein soll.
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Das erfindungsgemäße thermodynamische Gerät mit gravitatorischer Drossel ist somit überall dort einsetzbar, wo ein Hin-Transport von Arbeitsflüssigkeit vom ersten Flüssigkeitsbehälter zum zweiten Flüssigkeitsbehälter stattfindet, der durch die Ausgleichsröhre ausgeglichen werden muss. Insbesondere bei thermodynamischen Geräten, die als Wärmepumpen ausgebildet sind, und bei denen der Hin-Transport-Einrichtung aus einem Kompressor mit entsprechender Dampfansaugung und Dampfabgabe ausgebildet ist, eignet sich die Ausgleichsröhre besonders günstig aufgrund ihrer flexiblen Anbringbarkeit und der durch mechanische Merkmale bestimmten Funktionalität für eine wartungsarme und auch besonders effiziente Wärmepumpe, die keine Verluste aufgrund einer steuerbaren Drossel oder etwas Ähnlichem liefert.
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Ein weiterer wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass nicht, wie im Stand der Technik, die Druckdifferenz in einer einstellbaren Drossel aufgrund der dort stattfindenden spontanen Verdampfung verschwendet wird. Stattdessen wird bei der vorliegenden Erfindung die Druckdifferenz direkt in den ersten Flüssigkeitsbehälter, der beispielsweise ein Verdampfer einer Wärmepumpe ist, eingebracht. Die dort stattfindende Tendenz zur Verdampfung mit Blasensiedung, die die zusätzliche Druckbarriere bildet, mit der die Aufstellhöhe, also die Höhe des gekrümmten Abschnitts der Ausgleichsröhre deutlich reduziert werden kann, führt ferner zu einer effizienteren Verdampfung im Verdampfer, um den normalen bzw. ”regulären” Verdampfungsprozess noch zu verstärken. Damit werden die aufgrund einer einstellbaren Drossel in Kauf genommenen Verluste von bekannten thermodynamischen Geräten nicht nur komplett eliminiert, sondern die Rückführung wird zusätzlich noch positiv zur Erhöhung des Verdampfungseffizienz genutzt, da in der Nähe des Auslaufs erzeugter Arbeitsflüssigkeitsdampf genauso zur Wärmepumpenwirkung beiträgt wie im Verdampfer durch den ”normalen” Verdampfungsprozess erzeugter Arbeitsflüssigkeitsdampf.
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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 schematische Darstellung eines thermodynamischen Geräts gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2a, 2b kommunizierende Röhren mit gleichem Druck und unterschiedlichen Drücken;
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3 eine schematische Darstellung einer Wärmepumpe als Ausführungsbeispiel des thermodynamischen Geräts; und
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4 eine schematische Darstellung der Ausgleichsröhre mit Flüssigkeitsbehältern mit der zusätzlichen Druckbarriere in der Nähe des Auslaufs.
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1 zeigt ein thermodynamisches Gerät mit einem ersten Flüssigkeitsbehälter 100, der ausgebildet ist, um im Betrieb einen ersten Druck p1 zu halten, wobei der erste Flüssigkeitsbehälter 100 im Betrieb teilweise mit einer Arbeitsflüssigkeit 110 gefüllt ist. Insbesondere ist in 1 ein Flüssigkeitspegel 115 schematisch eingezeichnet. Unterhalb des Flüssigkeitspegels 115 befindet sich die Arbeitsflüssigkeit 110 und oberhalb des Flüssigkeitspegels 115 befindet sich Luft, verdampfte Arbeitsflüssigkeit, Vakuum oder etwas Ähnliches, ist also ein Gasraum 120 vorhanden.
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Ferner umfasst das thermodynamische Gerät einen zweiten Flüssigkeitsbehälter 200, der wieder einen Arbeitsflüssigkeitspegel 215 aufweist, unterhalb dessen sich die Arbeitsflüssigkeit im zweiten Flüssigkeitsbehälter, die mit 210 bezeichnet ist, befindet, wobei sich oberhalb des zweiten Flüssigkeitsbehälters ein Gasraum 220 befindet, der Luft oder verdampfte Arbeitsflüssigkeit umfassen kann, und dessen Druck p2 höher als der erste Druck p1 im ersten Flüssigkeitsbehälter 100 ist. Der zweite Flüssigkeitsbehälter ist also wie der erste Flüssigkeitsbehälter im Betrieb teilweise mit Arbeitsflüssigkeit 210 gefüllt.
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Ferner ist eine für die Arbeitsflüssigkeit durchlässige Ausgleichsröhre
300 vorgesehen, die einen Einlauf
310 aufweist, der in dem zweiten Flüssigkeitsbehälter
200 angeordnet ist, um im Betrieb den Arbeitsflüssigkeitspegel
215 in dem zweiten Flüssigkeitsbehälter zu definieren. Die Ausgleichsröhre umfasst ferner einen Auslauf
320, der in dem ersten Flüssigkeitsbehälter
100 angeordnet ist, so dass Arbeitsflüssigkeit von dem Einlauf
310 in den Auslauf
320 transportierbar ist. Darüber hinaus ist, wie es in
1 gezeigt ist, der Einlauf
310 in Aufstellrichtung des thermodynamischen Geräts höher als der Auslauf
320 angeordnet. Darüber hinaus umfasst die Ausgleichsröhre einen gekrümmten Abschnitt
330, dessen niedrigster Bereich in Aufstellrichtung im Betrieb unterhalb des Auslaufs
320 angeordnet ist. Je nach Ausführungsbeispiel beträgt der Abstand des untersten Bereichs zum Auslauf, also dort, wo der Auslauf in den ersten Flüssigkeitsbehälter eindringt bzw. zum Boden des ersten Flüssigkeitsbehälters wenigstens 2 und vorzugsweise wenigstens 5 cm. Die maximale Höhe des gekrümmten Abschnitts beträgt je nach Implementierung bis zu 2 m, ist jedoch nicht größer als durch die maximale spezifizierte Druckdifferenz zwischen dem ersten Flüssigkeitsbehälter und dem zweiten Flüssigkeitsbehälter vorgegeben. Ist die Arbeitsflüssigkeit beispielsweise Wasser und beträgt die maximale Druckdifferenz 200 mbar, wie beispielsweise bei einer typischen mit Wasser betriebenen Wärmepumpe, wie sie in der
EP 2 016 349 B1 beschrieben ist, so wird die Höhe des gekrümmten Abschnitts, also die Differenz des niedrigsten Bereichs des gekrümmten Abschnitts und des Bodens des ersten Flüssigkeitsbehälters 2 m sein. Die Höhe wird nicht größer als 2 m sein, kann jedoch, wie es noch dargelegt wird, auch kleiner als 2 m sein, und zwar aufgrund der zusätzlichen Dampfbarriere, wie es noch anhand von
4 beschrieben wird.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist das thermodynamische Gerät, das in
1 mit einer Hin-Transport-Einrichtung
400 dargestellt ist, als Wärmepumpe ausgebildet. Dann ist die Hin-Transport-Einrichtung
400 von
1 als Kompressor K410 einer Wärmepumpe ausgebildet, wie sie in
3 dargestellt ist oder in der
EP 2 016 349 B1 beschrieben ist. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Wärmepumpe abgesehen von den erfindungsgemäßen Merkmalen in einem Ausführungsbeispiel genauso ausgebildet sein kann, wie sie in der
EP 2 016 349 B1 beschrieben ist, wobei diese Schrift ausdrücklich durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist. Der erste Flüssigkeitsbehälter
100 ist als Verdampfer
150 ausgebildet, und der zweite Flüssigkeitsbehälter ist als Verflüssiger
250 ausgebildet.
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Innerhalb der Wärmepumpe herrschen im Betrieb bestimmte Druck- und Temperaturverhältnisse. Insbesondere ist der Druck p1 im Verdampfer geringer als der Druck p2 im Verflüssiger. Darüber hinaus ist die Temperatur T2 im Verflüssiger höher als die Temperatur T1 im Verdampfer. Zu kühlende Arbeitsflüssigkeit wird über einen Verdampfer-Zulauf 160 in den Verdampfer zugeführt und abgekühlte Arbeitsflüssigkeit wird über einen Verdampferablauf 170 abgeführt. Wird die Wärmepumpe zur Kühlung eingesetzt, so wird die über den Ablauf 170 abgeführte gekühlte Arbeitsflüssigkeit zur Kühlung eingesetzt, wie beispielsweise zur Kühlung von Rechnern oder anderen elektrischen oder elektronischen Geräten.
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Darüber hinaus umfasst auch der Verflüssiger einen Zulauf 260 und einen Ablauf 270. Wird die Wärmepumpe zum Beispiel im Heizbetrieb verwendet, so stellt der Ablauf 270 die Einspeisung in eine Gebäudeheizung dar, während der Rücklauf 260, in dem abgekühlte Arbeitsflüssigkeit wieder in den Verflüssiger 250 zugeführt wird, den Rücklauf der Heizung darstellt. Insbesondere umfasst der Verdampfer einen Aufweiter 180 zur effizienten Arbeitsflüssigkeitsverdampfung. Der Arbeitsflüssigkeitsdampf 190 wird dann durch eine spezielle Ansaugvorrichtung 195 vom Kompressor 410 angesaugt und verdichtet und als verdichteter Arbeitsflüssigkeitsdampf 260 über eine spezielle Dampfumweganordnung 270 in das Verflüssigervolumen eingebracht, um mit der Arbeitsflüssigkeit im Verflüssiger, deren Flüssigkeitspegel mit 215 bezeichnet ist, zu kondensieren. Der Flüssigkeitspegel 215 definiert wiederum den Einlauf der Ausgleichsröhre 300, von der wiederum der gekrümmte Abschnitt 330 in 3 gezeigt ist.
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Vorzugsweise ist der Einlauf 310 von einem Boden 280 des Verflüssigers als vorstehendes Rohr ausgebildet, da dann die Höhe des Vorstands des Einlaufs von dem Boden 280 den Flüssigkeitspegel 215 im Verflüssiger, also dem zweiten Flüssigkeitsbehälter von 1 definiert.
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Aufgrund der unterschiedlichen Druckverhältnisse in den beiden Flüssigkeitsbehältern bilden sich in der Ausgleichsröhre im Sinne von kommunizierenden Röhren unterschiedliche Höhen der Flüssigkeitsstände aus, wie es in 2b gezeigt ist. 2a zeigt dagegen den Vergleichsfall, bei dem die Flüssigkeitsstände in den beiden Zweigen der kommunizierenden Röhren, also in den beiden Enden einer U-förmigen Ausgleichsröhre gleich hoch sind. Dagegen wird der Flüssigkeitsstand dann, wenn auf einer Seite der kommunizierenden Röhre ein höherer Druck als auf der anderen Seite herrscht, auf der Seite mit höherem Druck bezüglich des Flüssigkeitsstands nach unten abgesenkt, wobei die Höhe der Absenkung proportional zum Druckunterschied Δp ist. Insofern definiert die maximale Höhe H, um die die beiden Flüssigkeitsstände auf den beiden Abschnitten der U-förmigen Ausgleichsröhre auseinander gebracht werden können, ohne dass der Pegel auf der linken Seite in 2b die Spitze des gekrümmten Abschnitts erreicht, wobei dann keine sichere Druckabdichtung bzw. Druckbarriere mehr zwischen den beiden Flüssigkeitsbehältern mit unterschiedlichem Druck vorhanden sein würde. Wie es bereits ausgeführt worden ist, beträgt die maximale Höhe Hmax zwei Meter für einen maximalen Differenzdruck von 200 mbar, wenn als Arbeitsflüssigkeit Wasser genommen wird. Wenn als Arbeitsflüssigkeit andere Arbeitsflüssigkeiten verwendet werden, wie sie in Wärme/Kältemaschinen üblich und für Fachleute bekannt sind, so variieren die unterschiedlichen Höhen bzw. die unterschiedlichen Differenzdrücke.
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3 zeigt ferner unterschiedliche Tendenzen des Wärmepumpenbetriebs. Wenn die Temperaturdifferenz, also die Differenz zwischen den Temperaturen im Verflüssiger 250 und im Verdampfer ansteigt, wenn die Wärmepumpe also mehr Leistung liefern muss, und zwar aufgrund einer erhöhten Kühl- oder Heizanforderung, so wird die Drehzahl des Kompressors K, der vorzugsweise als Turbokompressor mit Radialrad ausgebildet ist, erhöht. Der Kompressor K bzw. das Radialrad des Kompressors dreht sich schneller. Dadurch wird mehr Dampfvolumen angesaugt und vom Verdampfer in den Verflüssiger hin-transportiert. Damit der definierte Flüssigkeitspegel im Verflüssiger beibehalten wird, muss daher auch mehr Arbeitsflüssigkeit vom Verflüssiger wieder zurück zum Verdampfer durch die Ausgleichsröhre 330 gebracht werden. Dies findet automatisch statt, ohne dass es einer besonderen Regelung bedarf, und zwar aufgrund der Ausgleichsröhre, die wie eine gravitatorische selbstregulierende Drossel wirkt. Wird dagegen die Temperatur bzw. Leistungsanforderung an die Wärmepumpe wieder geringer, so wird weniger Arbeitsflüssigkeit hin-transportiert und die Ausgleichsröhre transportiert dann wieder weniger Arbeitsflüssigkeit zurück in den Verdampfer. Auch dieser Vorgang findet vollautomatisch ohne weitere Steuerung bzw. Eingriffe statt.
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3 zeigt ferner einen weiteren vorteilhaften Effekt der erfindungsgemäßen Ausgleichsröhre, die an ihrem Auslass an den Verdampfer ohne spezielle Drossel angeschlossen wird. Aufgrund der Tatsache, dass die warme Arbeitsflüssigkeit direkt in den kalten Verdampfer eingespeist wird, erzeugt die warme Arbeitsflüssigkeit dort, wo sie in den kalten Verdampfer mit niedrigem Druck eindringt, also in der Nähe des Auslaufs 320, eine Tendenz zur Blasenverdampfung. Damit wird die Verdampfer-Arbeitsflüssigkeit aufgrund der für die Verdampfung positiven Wirkung des Auslaufs 320 zusätzlich verdampft, wie es durch einen weiteren Dampf 198 schematisch dargestellt ist, der für den Betrieb der Wärmepumpe selbstverständlich die gleiche Wirkung hat, wie der durch den „normalen” Verdampfungsprozess erzeugte Arbeitsflüssigkeitsdampf 190.
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Nachfolgend wird Bezug nehmend auf 4 auf die Druckbarriere näher eingegangen, die sich für warme Arbeitsflüssigkeit, wie beispielsweise Wasser aufgrund der Ausdehnung der warmen Arbeitsflüssigkeit zur Verdampfung bzw. aufgrund der Tendenz zur Blasenbildung ergibt. Diese Druckbarriere ist schematisch bei 199 in 4 dargestellt.
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In dem Bereich des Auslaufs 320, um den sich die Druckbarriere 199 ausbildet, findet also ein zusätzlicher Druckabfall vom Hochdruckgebiet p2 zum Tiefdruckgebiet p1 statt. Dies führt dazu, dass sich ein Höhenunterschied 340, der vorherrschen würde, wenn keine Druckbarriere vorhanden wäre, auf einen Höhenunterschied 350 reduziert. Damit nimmt die Druckbarriere 199 bereits eine Druckdifferenz auf, die der Differenz 360 der Höhenunterschiede 340 und 350 entspricht. Diese vorteilhafte Erscheinung, die insbesondere dann um so stärker zu Tage tritt, je höhere der Temperaturunterschied zwischen der warmen Temperatur T2 und der kalten Temperatur T1 ist, wird erfindungsgemäß vorteilhaft dazu ausgenutzt, die Höhe des gekrümmten Abschnitts 330 von der maximalen Höhe, wie sie z. B. in 2b dargestellt ist, zu reduzieren, und zwar je nach Implementierung, um 50% bzw. 80%, so dass es bereits für eine sichere Druckabdichtung zwischen den beiden Flüssigkeitsbehältern ausreichend ist, den niedrigsten Bereich des gekrümmten Abschnitts im Betrieb nur wenig unter dem Auslauf anzuordnen, wie beispielsweise 2 cm und, mit einem gewissen Sicherheitsabstand wenigstens 5 cm. Damit wird die Aufstellhöhe des thermodynamischen Geräts, beispielsweise einer Wärmepumpe um bis zu 2 m reduziert, was zu einer erheblichen Verkleinerung des Aufbaus und damit zu einer erheblich größeren Marktakzeptanz führt.
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Vorzugsweise umfasst die Ausgleichsröhre 300 einen Durchmesser von höchstens 10 cm oder eine Querschnittsfläche von höchstens 80 cm2. Andererseits ist der Durchmesser der Ausgleichsröhre wenigstens 1 cm und ist die Querschnittsfläche wenigstens 0,8 cm2.
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Vorzugsweise ist der niedrigste Bereich des gekrümmten Abschnitts um eine maximale Strecke Hmax unter dem Auslauf angeordnet, wobei die maximale Strecke Hmax durch eine maximale Druckdifferenz zwischen dem zweiten Druck und dem ersten Druck bestimmt ist. Abgesehen von einer wie auch immer gearteten Hin-Transport-Einrichtung 400 von 1 ist die Ausgleichsröhre die einzige Flüssigkeitsverbindung zwischen dem ersten Flüssigkeitsbehälter und dem zweiten Flüssigkeitsbehälter, so dass der gesamte Rücklauf über die Ausgleichsröhre stattfindet, wobei die Ausgleichsröhre keine steuerbare Drossel oder kein steuerbares Ventil aufweist, sondern als einfache Röhre bzw. als einfacher Schlauch sogar mit konstantem Durchmesser Ober die gesamte Länge ausgebildet sein kann.
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Wie es in 3 gezeigt ist, ist der Auslauf 320 an einem Behälterboden 191 des ersten Flüssigkeitsbehälters angebracht. Der gekrümmte Abschnitt 330 der Ausgleichsröhre 300 ist ferner als U-Form ausgebildet, wobei der Auslauf 320 an einem Ende des gekrümmten Abschnitts angeordnet ist. Darüber hinaus ist zwischen dem Einlauf 310 und dem anderen Ende des gekrümmten Abschnitts, das in 3 mit 390 gezeichnet ist, ein gerades Rohrstück 395 zwischen 390 und dem Einlauf 310 angeordnet.
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Ferner ist, wie es bereits dargestellt worden ist, der zweite Flüssigkeitsbehälter 250 mit einem Boden 280 versehen, von dem die Ausgleichsröhre um eine Länge 396 vorsteht, die den maximalen Flüssigkeitspegel in dem Verflüssiger 250 definiert. Alternativ könnte der Einlauf 310 jedoch auch seitlich an der Höhe des Flüssigkeitsbehälters angeordnet sein, die den Flüssigkeitspegel im zweiten Flüssigkeitsbehälter definiert.
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Bei einem Verfahren zum Herstellen des thermodynamischen Geräts wird eine Ausgleichsröhre mit dem ersten Flüssigkeitsbehälter mit ihrem Einlauf und dem zweiten Flüssigkeitsbehälter mit ihrem Auslauf verbunden, so dass der Arbeitsflüssigkeitspegel in dem zweiten Flüssigkeitsbehälter durch die Anordnung des Einlaufs in dem zweiten Flüssigkeitsbehälter definiert ist.
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Die vorliegende Erfindung schafft ein effizientes, preisgünstiges und wartungsarmes thermodynamisches Gerät.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2016349 B1 [0002, 0025, 0026, 0026]
