DE102015002533A1 - Wärmepumpensystem mit einem thermoelektrischen Generator - Google Patents

Abstract

Die Dokumentation beschreibt im Bereich der erneuerbaren Energien eine neuartige, autarke, umweltfreundliche und effektive Stromerzeugungsanlage für 200 W Nutzleistung, bei einer elektrischen Gesamtleistung von 600 W, gewonnen aus dem enorm gespeicherten Energiepotential in der Umweltluft, ohne Antrieb und Stillstandszeiten für einen 24 h Jahresdauerbetrieb. Es werden Funktionsdiagramme und Zeichnungen zur Planung und Durchführung der Entwicklung eines Prototypen zur Stromerzeugung mit einem TEG (ThermoElektrischen Generator) und einem Wärmepumpensystem bei einem ΔT = 145°C beschrieben. Der Ausführungsvorschlag des Systems wird in einem zweistufigen gut aufeinander abgestimmten effektiven Wärmepumpensystem über Verdichter mit Druckvolumen Vergrößerungen dargestellt. Das System erreicht einen hohen Gesamtwirkungsgrad > 95%, da die Primärenergie immer und überall kostenlos zur Verfügung steht. Bei dieser Anwendungsart beträgt Eigenbetriebsstrom 67%, und 33% steht für eine externe Nutzung zur Verfügung. Es können langfristig erhebliche Stromkosten eingespart werden: z. B: Zwei Einheiten liefern jährlich 3504 kWh kostenlosen Netzstrom für die komplette Versorgung eines Einfamilienhauses. Für höhere Leistungen können unbegrenzt mehrere Moduleinheiten einfach parallel zu einem Multi Modulverband zusammen geschaltet werden.

Description

• 4.Beschreibung:
• 4.1 Funktionsbeschreibung und Berechnungsgrundlagen
• Es wird ein Ausführungsbeispiel eines Thermoelektrischen Generator Systems zur Herstellung eines Prototypen für eine autarke 200 Watt Nutzstromerzeugung dargestellt. Die Nennstromerzeugung beträgt insgesamt 600 W (DC) für 200 W netto Nutzstrom, der in einem zweistufiges effektiven TEG-WP Wärmepumpen System generiert wird. Siehe 3
• Stand der Technik:
• Die Anwendung dieser Energieübertragung mit dem TEG-WP System über die verschiedenen Sättigungsgrade eines Kältemittelgases bei konstanten Temperaturen im Warm- und Kaltbereich (ΔT = konstant) ist neu und weltweit einzigartig, und wurde erstmals in dieser Funktionsweise optimal entwickelt und geplant.
• 4.2 Prozesskreislauf A Funktionsprinzip TEG-WP (Fig. 3)
• Nach dem Kältemitteldiagramm (12) sollte der DC Kompressor 3A1 (WP1, für die TEG Kaltseite) 560 g/min gesättigtes Gas Qvk (Berechnung dazu s. Pos. 4.10) von der Temperatur 60°C und 2,5 bar auf eine Temperatur von 89°C und 30 bar fördern können. Der Kompressor müsste dann für eine Förderleistung von 1,09 l/h Gasvolumenstrom ausgelegt werden (s. Pos. 4.9). Der Kompressor 3A2 (WP2, für die TAG Warmseite) müsste für eine Förderleistung von 410 g/min Qvw bei gesättigtem Volumenstrom von 120°C und 5,5 bar auf 143°C und 18 bar für 3,8 m³/h ausgelegt werden (s. Enthalpie Diagramme 11, 12). Die TEG Kaltseiten Absorption Energieaufnahme Qvk (2b) beträgt netto 0,57 kW. Dieser Sollwert von 0,57 kW wird von der TEG Sollwert Ausgangstemperatur von –5°C (Sensor 7) über die vom Ventilator (1a) erzeugte Luftmenge geregelt, um die Basiskennlinie (Parameter bei –5°C und 2,5 bar) für die TEG Kaltseiten Verdampfung (Absorption Qvk) einzuhalten. Die angesaugte Umweltluft Qua nimmt über den Verdampfer (1c) die Wärmeenergie Quv auf, und wird dann als umweltfreundliche Kaltluftabgabe (1d) und Abluft (Quw) weiter zum Ausgang geleitet. Die insgesamt abzuführende Kaltseiten Energieabgabe Qvk beträgt für den Nennbetrieb über den Verdampfer (2b) 570 Watt (System Auslegung). Erst durch die Expansion in 4A1 auf den Aggregatzustand von –5°C und 2,5 bar (2b), und durch eine Entropie „reduzierende”, stromsparende Kompression von 3A1 sowie durch die hohe Kondensationstemperatur von 143°C für (2a) nach der Kompression von 3A2, wird es möglich mit dem TEG-WP effektiv über ein konstant hohes ΔT von 145°C elektrischen Überschussstrom Qen (6) zu generieren. (8 und 10). Die Nutzenergie Qen ist direkt proportional der Wärmeenergieaufnahme Quv (1c) im offenen Energiesystem, durch die gewonnene Überschussenergie bei vollständiger Qvk Energieabsorption im WP1 Kreislauf. Qen ≈ (proportional) Quv Fig. 9 (s. Energiebilanzplan)
• Die Umweltluft Qua schwankt (von der Normalauslegung bei 15°C) entsprechend den Umweltluftbedingungen, d. h. den Temperaturen und den relativen Feuchtigkeitsgehalten. Fällt die Umweltlufttemperatur unter 0°C dann kann kein Nutzstrom mehr erzeugt werden, da nur eine geringe Wärmeenergieaufnahme Quv über den Verdampfer (1c) erfolgen kann. Der DC Ventilator (1a) ist im Verdampfer System (1) integriert. Der Ventilator kann mit einer sehr geringen Leistung, von z. B. nur 30 W, für den Nennregelbetrieb ausgelegt werden. Er sollte die normale Luftkonvektion im Gehäuse unterstützen. Die Verdichter 3A1 und 3A2 erhöhen den Gasdruck der Kältemittel (R134a und HCFC-123 mit „reduzierender”, und dadurch stromsparender, Entropie s [kJ/kg*K) auf 30 bar (WP1) bzw. 18 bar (WP2). Die elektr. Gesamtleistung der Kompressoren (3A1 und 3A2) darf dabei nicht höher sein als max. 370 W (hoch effekt. Verdichter), da sonst kein nutzbarer Strom mehr generiert werden kann, weil auch noch eine elektr. Leistung für den Ventilator (1a) eingeplant werden muss. Die Temperaturkonstanz der TEG Kaltseite von –5°C (Tcold) wird durch die Verdampfung in (2b) mit 72 kJ/kg (Basiskennlinie) immer gewährleistet. Der Energiestrom Qvk gibt seine Energie ab, d. h. die Wärmeenergie wird in (2b) vollständig absorbiert (s. thermische Energieabgabe durch Wärmeleitung auf Cu WT, auf die Keramikplatten (2c) bis hin zu den Thermocoupels, Leitfähigkeit von λcera. = 15 W/Km). Diese Energieaufnahme könnte bei einem Versuchstest mit einem separaten Kühlaggregat simuliert werden (4 und 5). Nur durch die vollständige Kaltseitenenergieaufnahme Qvk bei konstant –5°C, und die Wärmeaufnahme Quv. sowie die Wärmeenergieabgabe über (2a) bei konstant 145°C, wird es möglich elektr. Überschussenergie Qen (6) im offenen Energiesystem zu erzeugen. Die vollständige Absorption der Energie Qvk im Verdampfer (2b), sowie die Nennwärme Qvw Energieabgabe über (2a) wird vom WP Prozesssystem immer gewährleistet. (s. Pos. 4.6).
• 4.3 Berechnungsgrundlagen zum TEG-WP Prozesskreislauf A und B
• Die Prozesskreisleistung A beträgt: 0,57 kW TEG Kaltseiten Verdampfung (2b) + 0,45 kW Umweltluft Energieaufnahme Quv,+ netto Kompressor Leistung 3A1 von 0,15 kW, + 0,5 kW Rückführung (1e) macht eine Gesamtsumme von 1,67 kW aus. Die Summe der Übertragungsleistung zu einem höheren Temperaturniveau für 3A1 beträgt insgesamt ca. 1,67 kW. Der COP (Leistungszahl: Koeffizient of Performance) für den Prozesskreislauf A beträgt hiernach ca: ΔT = 90 – 60 = 30°C, Tmax. = 273,15 + 30 = 303,15, COP max.: 303,15/30 = 10,1 Daraus ergibt sich nach Carnot die minimal aufzuwendende elektr. Leistung für 3A1 zu 1,67/10,1 = 165 W. Angenommen sind für die Realisierbarkeit ca. 220 W, bei „reduzierender” Entropie von theoretisch s = 1,9 bis s = 1,68. Die Summe der Übertragungsleistung zu einem höheren Temperaturniveau für 3A2 beträgt insgesamt: 0,75 kW Übertragungsleistung Qvt (5b) aus WP1 bei 84°C, + 0,15 kW Kompressor 3A2 Leistung, +0,25 kW Temperaturerhöhung auf 120°C, = ca. 1,15 kW für die Kompressor Leistung. Der COP für den Prozesskreislauf B (WP2) beträgt hiernach: ΔT = 145 – 120 = 25°C, Tmax.: 273,15 + 145 = 418,15: COP max.: 418,15/25 = 16,7. Daraus ergibt sich nach Carnot die minimal aufzuwendende elektr. Leistung zu 1,15/16,7 = 0,069 kW. Angenommen sind für die Realisierbarkeit bei reduzierender Entropie ca. 150 Watt. Ein brutto Wärmestrom Qvw von 0,7 kW reicht aus, um eine elektr. DC-Leistung Qen von 0,6 kW mit 80 TEG Thermomodulen über eine Kondensation in (2a), und eine Qvk Verdampfung von 0,570 kW in (2b) zu erzeugen, d. h. eine Wärmeübertragung über einen großflächigen Gaskontakt über die Cu Platten direkt zu den Thermo-Coupels (2c) (8). Das entspricht einem COPWP1/2 ohne Rückführungen: (1,17 + 0,9) = 2,07 kW/0,40 kW (0,220 kW + 0,150k W + 0,03 kW = 0,40 kW) = ca. 5,2. Daraus folgt, dass die maximale Übertragungsleistung Qvt des Prozesskreislaufes A auf 0,8 kW, und die maximale Wärmeleistung Qvw für den Prozesskreislauf B auf 0,7 kW ausgelegt werden sollte, indem die Leistungsregelung des Kompressors 3A1 auf max. 250 W bei 30 bar begrenzt wird, und für den Kompressor 3A2 auf max. 180 W bei 18 bar. Die Transferleistung Qvt (WP2) von netto 0,7 kW über (5) bei 84°C (brutto 0,75 kW η = 0,92) sollte immer eingehalten werden. Der WP1/2 Wirkungsgrad beträgt: COPmaxges: (10,1 + 16,7)/2~13,4 ηWPges: 5,2/13,4~39%
• Die Schwerkraft sammelt das entstandene Kondensat in (2a) immer zum tiefsten Punkt. Deswegen muss die räumliche Lage von (2a) wegen der Flüssigkeitsbildung berücksichtigt werden (4 und 5).
• 4.4 Funktionsbeschreibung Stromerzeugung TEG-WP
• Die Energieabgabe Qvk (2b) von 570 W netto passt sich der Energie Übertragung über den Kältemittelstrom R134a mit 560 g/min automatisch über die Luftmengenregelung (1a) an. Die Nennauslegung der Energieübertragung eines Volumenstromes ist abhängig von der Kältemittelart (s. Enthalpie Vermögen für 5a = 86 kJ/kg, und für 5b = 110 kJ/kg). Es ergibt sich immer eine automatische Systemleistungsanpassung beider WP Kreise, Incl. einer Wirkungsgrad Erhöhung im optimalen Arbeitspunkt. Das bedeutet z. B. auch, wenn die Umweltluft Bedingungen, infolge einer Temperatur Erniedrigung, oder Veränderung des Feuchtigkeitsgehaltes schwanken sollte, dann passt sich die Stromaufnahme der Kompressoren den veränderten Umweltluft Bedingungen automatisch an. Damit wird zugleich auch gewährleistet, dass in allen Arbeitsbereichen immer die max. mögliche Stromerzeugung generiert wird. Es reduzieren sich die Ströme der Kompressoren und Drücke entsprechend, und der TEG-WP erzeugt trotzdem immer effizient Strom. Eine automatische Leistungsanpassung ist besonders effektiv bei hohen Außentemperaturen infolge einer verbesserten Wärmeabgabe (Quv) bei reduzierter Luftfördermenge, und damit ist auch eine geringere Stromaufnahme des Ventilators (1a) verbunden.
• Ein Gleichstrom wird immer dann erzeugt, solange ΔT konstant aufrecht erhalten wird, was durch die Kondensation in Thot, und durch die Verdampfung in Tcold im TEG (2) immer gewährleistet wird, insbesondere für den letzten in Reihe geschalteten TEG Einzelblock. Hiernach wird auch die Anzahl der Module von der gesamt zu übertragenen Wärmeleistung definiert. Ein großer Vorteil des Systems ist auch, dass die geringen Wirkungsgrade der TEG Module, incl. die Wärmeübertragungsverluste über die Anzahl der TEG Generator Elemente ausgeglichen bzw. kompensiert werden können. Im TEG-WP System wird eine Kompensierung der Wärmeübertragungsverluste zur Erhöhung der Effektivität für eine nutzbare Stromerzeugung notwendig sein, damit ein fast gleiches thermisches Leistungs-Gleichgewicht von Qvw und Qvk im gesamten TEG-WP Prozesskreis erreicht wird.
• Die Gesamtleistungsbilanz sieht wie folgt aus: 3A1 + 3A2 = 220 W+150 W, Lüfter = 30 W, Summe Qvg = 400 W, Nutzstromerzeugung: 600 W – 400 W = 200 W. Damit ergibt sich für das TEG-WP System ein elektrischer Wirkungsgrad von (200 W/600 W): ηen = 33% (1)
• 4.5 Weitere Funktionsgrundlagen zur TEG Stromerzeugung
• Auf der heißen Ausgangsseite des Kompressors 3A2 (heat flow) befindet sich der 'hoch gepumpte' Energiestrom Qvw mit einer Leistung von 0,7 kW Sattdampf (18 bar und 143°C). Jedem TEG Strang (Warmseite) steht ein Teilwarmestrom von ca. 280 g/min zur Verfügung. Die Strom Generierung geschieht für 40/80 (System A1/A2) Module in Reihe durch eine Kontakt Kondensation (Wärmeabgabe). Die Massen von Flüssigkeitsströmen spielten hier keine Rolle, da aus den Volumenströmen Qvw und Qvk die benötigte Energie zur Stromerzeugung nur durch eine sequenzielle Reduzierung (in 2a), und Erhöhung (in 2b) der Sättigungsgrade (von 100%...0%, und von 64%...100%) gewonnen wird: (10: Faktor GF = Qv/Qm~4,5): ηen/ηTEG =0,33/0,05~6,6 ηGasTEG = ηTEG*GF~0,2
• Die geringe Effektivität eines TEG Moduls von ~5% bezieht sich auf einen Massenstrom Qm mit der Flächendichte (W/cm²) und einer Temperatur Reduzierung zwischen dem Ein- u. Ausgangs Strom. Ein entscheidend großer Vorteil ist hier, dass bei der Kondensations-, Verdampfungs-Wärmeenergie Übertragungstechnik keine erforderlichen großen Massen Ströme (Qm/0,05ηTEG) zur Verfügung stehen müssen, sondern der Energieaustausch mit relativ geringen Volumenströmen Qv nur über Änderungen der Gassättigungsgrade bei gleicher Leistung u. konstanter ΔT Differenz erfolgt. Die relativen Volumenwärmeströme betragen: ~Qv/0,2 (0,2 = ηGasTEG). Bei ZT (Gütezahl, hochdotierter Halbleiter Bi2Te3) = 1,2 ergibt sich ein ηTEGmax von 11% für einen Massenstrom: ηTEGmax = [((√ZT + 1) – 1)/((√ZT + 1) + Tk/Tw)] × (Tw – Tk)/Tw. Siehe: Volumenstromvergleich 4.5 × Qm(Massenstrom) = Qv(Volumenstrom) (s. 10, GF 4,5). D. h. auch, dass bei gleicher Stromerzeugung der Wärmestrom Qv bei Gasen (g/min) 4,5 × kleiner sein kann, als der Qm bei Flüssigkeiten (g/min). Das gleiche gilt auch für die Flussdichten W/cm², und damit auch der Übertragungs-Flächenauslegung (2a und 2b). Bei der Kondensation wird der Sättigungsgrad des Wärmestromes bei konstanter Temperatur und Druck sukzessive nach jedem Modul durch die Stromgenerierung reduziert. Ein großer Vorteil besteht darin, dass die TEG Energiegewinnung auf der Warm bzw. Kaltseite nicht über eine Temperatur Reduzierung eines großen Massenstromes Qm (Flüssigkeit), sondern über relativ kleine Volumenstrom Qv im Kondensator bzw. im Verdampfer geschieht. Deswegen kann durch die Stromumwandlung über die Kondensation/Verdampfung auch so gerechnet werden: Der zur Verfügung stehende Wärmestrom (2a Kondensator), beträgt 0,7 kW brutto, die elektrische Nutzenergie beträgt 0,6 kW. Die Wärmeübertragungsverluste Qvp sind in Qvg integriert (1). Im Gegenstromprinzip ergibt sich folgende konstante ΔT Differenz zwischen der Warm- und Kaltseite: von –5°C bis 140°C ΔT = 145°C. Durch die hohe Effektivität im WP System wird eine positive Energiebilanz im gesamten zweistufigen WP1–WP2 System möglich. Die für die Effizienz notwendige Energiebilanz kann nur in einem gut aufeinander abgestimmten Gesamtsystem mit Energierückführungen realisiert werden (s. 9 Energiebilanzplan Überschussenergie: Qen ≈ Quv). Quv ist die notwendige Umweltluft Wärmeenergieaufnahme (1c) im offenen Energiekreis in WP1 zur Erhöhung der Überschussenergie im gesamten TEG Energieübertragungssystem.
• 4.6 Thermoelektrischer Generator Blockaufbau TEG-WP (Fig. 4 und Fig. 5)
• Der TEG Modulblock ist mit 15 Einheiten (2c) in 2 Reihen (System A1) aufgeteilt. Jede Einheit besteht aus 4 Modulen, von denen jede ca. 10 Watt bei ΔT = 145°C erzeugen kann, das macht zusammen ca. 40 W × 15 = 0,6 kW. Dabei wird aus dem Wärmestrom (heat flow) nach jedem der 15 Blocksegmente eine Energie Qvw 110/4 = 27,5 kJ/kg entnommen. Der Sättigungsgrad vermindert sich jeweils sequenziell um die aus dem Gesamtvolumenstrom von den TEG Modulen entnommene elektr. Leistung. Es wird immer die max. Energie pro Modul aus dem ausreichend bemessenem Volumenstrom Qvw = Qvk/(1 – ηTEG) entnommen: (ηTEG = 5%, bei ΔT = 145°C, Qvw = 600 Wnetto und Qvk = 570 Wnetto) So betrachtet, kann immer jeder TEG Modulstrang auf einen ausreichenden Energiestrom (heat/cold flow) zugreifen, um daraus die max. mögliche Modulleistung zu generieren. Der geringe TEG Modul Wirkungsgrad ηTEG von nur –5% kann bei dieser Art der Stromerzeugung über eine Kondensation bzw. Verdampfung bei konstantem Druck- und ΔT Temperaturen vernachlässigt werden, da dieser hier durch die Volumenstrom energetische Energieübertragungsart keine Auswirkung hat, und die Gesamteffektivität der Stromerzeugung hauptsächlich über die Anzahl der TEG Module bestimmt wird und nicht über die thermischen Wirkungsgrade. Deshalb gilt für das TEG-WP System ein erhöhter thermischer, faktisch praktischer, Wirkungsgrad für die Gasvolumenströme: (8 und 10) ηGasTEG = 20%
• Der Volumenstrom ist auf der Warmseite beim System A2 mit 320 mm in zwei Hälften geteilt (5), um den Kontaktwärmewiderstand (1/κ) zu verringern, sowie einen optimalen Anpressdruck und eine gute Wärmeverteilung zu erreichen. Bei der Konstruktion mit 600 mm (4) System A1 mit paarig gegenüberliegenden Modulen (2c) wird die volle Längeneinheit für eine erleichterte Montage genutzt.
• 4.7 Elektrischer Aufbau des TEG-WE Generator Kernblock (2)
• Die elektrische Gleichspannungszusammenschaltung der TEG Module kann in beliebiger Reihen-, und/oder Parallelschaltung erfolgen (effektive Stromerzeugung, u. Prinzip in Zeichnung, 6 und 7), allerdings müssen bei einer Parallelschaltung entsprechende Schutzdioden gegen Rückstrom vorgesehen werden. Eine maximale Leistungsübertragung (Ri = Rl,), incl. der Kompensation von change of modale therminal resistance, ist autom. durch den Wechselrichter im Netzbetrieb immer gegeben. Dadurch werden auch die Kompressor Förderleistungen, d. h. die elektr. Leistungsaufnahme von 3A1 und 3A2, immer in allen Arbeitsbereichen (max. Leistungsregelung), auch bei variablen Umweltluftenergie Schwankungen, optimal angepasst (wichtig für einen 24 h Dauer Netzbetrieb mit autom. Leistungsanpassung). Eine Stromspeicherung ist im Netzbetrieb nicht erforderlich. Durch eine gute, effektive Wärmeisolierung aller Systemeinheiten bei relativ geringen Kältemittelströmen verbessert sich die Nutzstromerzeugung (ηen = Qen/Qvw).
• 4.8 Weitere Anwendungsmöglichkeiten für den TEGWP
• Bei Verwendung anderer Kältemittel (z. B.: R11, R600a, R401C) kann der TEG-WP für eine regenerative Stromerzeugung und andere Temperaturbereiche, angepasst werden (2). Damit ist auch immer eine Wirkungsgrad Erhöhung durch die kostenlose Stromerzeugung (erzeugt ohne CO₂ Schadstoff sowie eine Optimierung der Wirtschaftlichkeit verbunden (s. Vorteilliste: 100%tige umweltfreundliche Energie Nutzung 6). In jedem Fall müssen dann die Arbeitsbereiche anderer Anwendungsfälle, insbesondere der Temperaturbereich, genau angepasst werden. Bei Verwendung von anderen Kältemitteln gelten prinzipiell die Daten des Ausführungsbeispieles vom TEG-WP System in einer zweistufigen WP Kompressor Funktion unterschiedlicher Kältemittel. Ein breites Anwendungsfeld ist immer gegeben bei der Integrierung des TEG-WP Systems in Anlagen mit nutzloser Abluft (z. B. in BHKW's Blockheizkraftwerke Auslegung für eine staatliche Umweltförderung), wobei sich immer auch eine COP Erhöhung realisieren lasst, durch eine kontinuierliche, gleichzeitige Nutzstromerzeugung (8). Bei zusätzlicher Abluftnutzung für Qua in (1c) können langfristig hohe Betriebskosten eingespart werden (z. B.: Anlagen im Jahresdauerbetrieb). Alle Daten in den Funktionszeichnungen (3) entsprechen genauen Wärmepumpen Analysewerten. Für andere Anwendungsmöglichkeiten können die Daten von den Berechnungsgrundlagen der Funktionsbeispiele TEG-WP (1 bis 14) abgeleitet werden.
• 4.9 Mengenstromberechnungen für die Prozesskreisläufe A und B
• Prozesskreislauf A: Kältemittel R134a
• Die Volumenströme in Liter/h, für die Auslegung der Kompressoren betragen: Für Prozesskreislauf Kältemittel R134a (Tetrafluorethan) für den Kompressor 3A1: 30,9 Liter/kg; 1 kg = 0,0323 Liter; 443 g = 0,0181 Liter, 560 g/min = 0,0181 × 60 = 1,09 Liter/h.
• Prozesskreislauf B: Kältemittel HCFC-123
• Die Volumenströme gesättigtes Gas in kg/m3, für die Auslegung der Kompressoren betragen: Prozesskreislauf B Kältemittel HCFC-123 für den Kompressor 3A2: 6,47 kg/m3; 1 kg = 0,154 m3/kg; 41 g = 0,063 m3, 410 g/min = 0,063 × 60 = 3,8 m3/h.
• 4.10 zweistufiger Prozesskreislauf Berechnungsgrundlagen
• Es wird eine Wärmeleistung Qvt (5a) von 0,75 kW brutto von Prozesskreislauf A (WP1) zum Prozesskreislauf B (WP2) 0,7 kW netto (5b, bei η = 92%) übertragen, und 0,65 kW brutto Wärmeleistung zur TEG Warmseite (2a). Damit kann 0,6 kW Wärmeleistung Qvw zur TEG Gesamtstromerzeugung (Qe1~Qvw) im TEG-WP System realisiert werden (9).
• Siehe physikalische Umrechnung in elektr. Werte für die Kaltseite: 1000 kJ/kg = 0,28 kWh/kg. z. B: bei 86 kJ/kg entspricht 0,0241 kWh/kg. Weiter umgerechnet heißt das auch, wenn 1 kg des Kältemittels in 1,44 min verdampft, dann werden mit einem Volumenstrom von 560 g/min 0,806 kW thermische Energie im Prozesskreis umgesetzt. Der Druck wird nach dem Kondensator (2a) und der Energierückführung in (WP2) von 18 bar, über die Expansion von 4A2 schlagartig auf 5,5 bar, 84°C und einen Sättigungsgrad von 25% reduziert. Nach der Expansion über 4A1 (WP1) ergibt sich ein Sättigungsgrad von 45% bei 2,5 bar und –5°C (Basiskennlinie) für die Kaltseitenenergieabsorption Qvk von 570 W und für die Umweltluftenergieaufnahme Qua von 300 W (s. Kennlinie im Diagramm: 11 und 12).
• Erst durch die vollständige TEG Kaltseiten Energieabsorption Qvk im Verdampfer (2b) bei konstantem ΔT, und über das zweistufig gekoppelte WP Prozesskreislaufsystem mit der externen Wärmeaufnahme Quv aus der Umweltluft Qua, und den Energierückführungen (1e und 14) wird ein positiver Energieüberschuss ermöglicht, d. h. es wird eine extern nutzbare Stromerzeugung realisierbar. (s. Energiebilanz Überschussenergie Quv). Qen ≈ (proportional) Quv, [Quv~Qua], Qen = Qel*ηen, (Fig. 8 und Fig. 9)
• Optimierende Kennlinien Anpassungen der Kompressoren im Gesamtsystem sollten über Laborversuche vorgenommen werden, sowie alle Daten und Parameter in praktischen Tests genauer analysiert und die Energie Transferwerte Qua, Quv und Qut optimiert werden. Alle Daten und Kennlinienfelder sind nach theoretischen WP Grundlagen berechnet worden und können in einem praktischen Prototypen Test geringfügig abweichen. Nur wenn die TEG-WP Funktionsprinzipien beibehalten, bzw. optimiert werden, auch unter Berücksichtigung der realen Wärmeverluste (ges. –100 Watt) kann mit dem TEG-WP System eine Überschussenergie Qen ≈ Quv erzielt werden (s. folgende Daten in der Tabelle).

  Pos.	kJ/kg	Leistung	Werte von R134a/HCFC-123 Diagrammerklärungen (Fig. 11 u. Fig. 12)
  1...2	45	0,300 kW	Umweltluftenergieaufnahme Quv (1c) brutto
  2...3	68	0,570 kW	Absorption der TEG Kaltseiteneinenergie Qvk (2b) netto
  3...4	54	0,500 kW	Temperaturerhöhung auf 60°C (1e) Energierückführung Qut netto
  4...5		0,200 kW	Kompressor Druckerhöhung 3A1, 30 bar, auf 89°C (WP1)
  5...6	86	0,750 kW	Transferenergie für WP2 (Kondensator) Qvt brutto (5a)
  6...7	58	0,540 kW	Energierückführung über Rohr-WT (1e) brutto
  7...1	-	-	Expansion von 4A1, auf Basislinie –5°C und 2,5 bar 45%ges.
  8...9	110	0,700 kW	Energieübertragung (5b) für WP2 von WP1, Qvt netto η = 92%
  9...10	26	0,200 kW	Energierückführung netto WP2 zur Temperaturerhöhung 120°C
  10...11		0,150 kW	Kompressor Druckerhöhung 3A2, 18 bar auf 143°C (WP2)
  11...12	110	0,650 kW	Energieabgabe für TEG Warmseite brutto Qvw (2a)
  12...13	29	0,250 kW	Energierückführung brutto zur Temperaturerhöhung auf 120°C
  13...8	-	-	Expansion von 4A2, Kältemittel auf 84°C und 5,5 bar, 25% ges.

• Alle Wärmeverluste werden systembedingt über eine Energieaufnahme aus der Umweltluft Qua automatisch kompensiert, d. h., es findet immer eine positive Kennlinien Verschiebung zu Gunsten einer effektiven Stromerzeugung statt. Auch wenn sich die Leistung der Netzeinspeisung ändern sollte, verschieben sich die Kennlinien zu Gunsten des internen Stromverbrauches über die Umweltluft Bedingungen. Das TEG-WP System stellt sich immer automatisch bei Temperatur Eingangschwankungen der Umweltluft von –5°C bis +50°C auf die max. mögliche Stromgenerierung ein, unter Berücksichtigung optimaler Auslegung des Luft-WT Verdampfer (1c) und der Rohrwärmetauscher (1e, 14) (3).
• 4.11 Volumenenergieströme Leistungsberechnungen
• In dem TEG-WP System werden die für die Stromerzeugung erforderlichen Energiemengen auf der Warm- und Kaltseite immer voll zur Verfügung gestellt. Jedes TEG Modul kann seine benötigte Wärmeenergie sequenziell folgend aus den Wärmeströmen Qvw und Qvk voll zur Nenn-Stromerzeugung entnehmen (s. 9, Energiebilanzplan). Siehe folgendes TEG-WP Berechnungsbeispiel für 0,6 kW netto (System A1) Nennvolumenströme:
  Ein 0,6 kW Gesamtwärmestrom wird für jedes der 15 in Reihe geschalteten Modulpaket (Block) 4 × 10 W =40 Watt für die Warmseite vom WP System zur Verfügung gestellt. Das macht insgesamt 15 × 40 = 0,6 kW für Qvw aus. Für jeden Block von 4 Modulen gilt dann: 600/15 Blöcke = 40 W. In kJ/kg bedeutet das für die Warmseite Qvw: 110/60 = 1,83 kJ/kg pro Einzelmodul. Allen Modulen steht so immer der gesamte volle hohe Energiestrom gemeinsam für Qvw und Qvk zur Verfügung, und es kommt nur darauf an, wie viel Energie die Module daraus abziehen können über die Wärmeleitfähigkeit λ. Nur der Strom der tatsächlich in elektrische Energie umgewandelt wurde, muss auch vom WP System und den Kompressoren in Leistung erbracht werden. Der effektive Wirkungsgrad der Module ist nur davon abhängig, wie gut die Energieübertragung realisiert wurde, da ein ausreichender Energiefluss, bei konstantem ΔT und Wärmeleistung, für den Energietransfer vom WP System auch für das letzte Reihenmodul immer bereit gestellt wird. In dieser Energiearbeitsweise (Verdampfung und Kondensation) hat also der geringe Einzelmodul Massenstrom Wirkungsgrad von nur ~5% keinen Einfluss. Eine effektive Stromerzeugung ist also nur von den effektiven Wirkungsgraden der Wärmeübertragungen abhängig. Für die Nennleistungsauslegung kann der geringe Wirkungsgrad der TEG Module, sowie die Übertragungsverluste über die Anzahl der eingesetzten Module ausgeglichen werden! [Qvw = Qvk/(1 – ηTEG)]. Für das TEG-WP System gilt daher bei Volumenströmen: ηGasTEG = Qv/Qm*ηTEG = GF*ηTEG
• Anders sieht es bei Flüssigkeitsenergieströmen aus. Hier muss tatsächlich mit einer geringeren Energiedichte (W/cm²) und mit ΔT ≠ konstant, sowie mit Temperatur Reduzierungen gerechnet werden. Der spez. Wärmeenergieaustausch ist bei gesättigten Gas Volumen Strömen ~4,5 mal höher als bei Flüssigkeitsenergieströmen, d. h. auch eine Erhöhung der Flussdichten (W/cm²) um den gleichen Faktor bei gleicher Leistung. Siehe 10, Faktor GF = 4,5 (Qv/Qm)
  Qv = spez. Energiedichte im Volumenstrom,
  Qm = spez. Energiedichte im Massenstrom
  Qem = aufgenommene Qvwm – absorbierte Qvkm
  (m = pro Modul)
  Qel = (Qvwm – Qvkm)*n
  n = Anzahl der TEG Module
• Für jedes Modul gilt im Volumenstrom bei ηTEG ~5% und ΔT = 145 K, (z. B.: TEG199-150-2)

  Die aufgenommene Energiemenge Warmseite	= 250 W Qvwm Wärmestrom/Modul
  Die absorbierte Energiemenge Kaltseite	= –240 W Qvkm Kältestrom/Modul
  Differenz	10 W Qem elektr. Strom/Modul

• Da jedem in Reihe geschalteten Modul im ausreichend bemessenen Volumenstrom beide Leistungen Qvw und Qvk durch Änderung der Gassättigungsgrade bei konstanter Temperaturdifferenz ΔT immer zur Verfügung stehen, beträgt die Gesamtleistung bei 60 Modulen: 60 × 10 = 600 W. Die TEG Module können deshalb immer auf den vollen energiegeladenen Volumenstrom greifen, da durch die beweglichen Moleküle der energiereiche Gasvolumenstrom über die Sättigungsgrade bei Leistungsentzug immer wieder neu regeneriert, d. h. 'aufgefrischt' wird. Deswegen kann so gerechnet werden, was mit einem Flüssigkeitsmassenstrom so nicht möglich wäre (ΔT ≠ konst.), da die Moleküle starr und unbeweglich, d. h. energieärmer, sind. Daher gilt für das TEG-WP System: ηGasTEG = 20% (Fig. 8 und Fig. 10)
• 4.12 Allgemeine Bemerkungen zur Prototypen TEG-WP Realisierbarkeit
• In diesem Zusammenhang wird von großer Bedeutung sein, optimal arbeitende Hochleistung DC Inverter Rollkolbenverdichtern mit Volumenvergrößerungen einzusetzen. Die Kompressoren in modernen Klimaanlagen erfüllen diese Kriterien, da sie sehr Magnet Streufeld arm sind. Sie erreichen auch die erforderlichen hohen Drücke bei geringen elektrischen Leistungen (Stand der Technik). Hierzu müssen die beiden Wärmepumpenkreise sehr gut aufeinander abgestimmt sein. Es können auch andere, oder besser geeignete Kältemittel für ein mehrstufiges System oder alternative thermische Verdichter eingesetzt werden. Es sollte mit den Laborversuchen in zwei Schritten vorgegangen werden, um unnötige Entwicklungskosten schon vorab zu erkennen. Im Labortest kann zur, Realisierbarkeit zuerst der Niedertemperatur WP1 Prozesskreis A geprüft werden (mit erhöhter Kältemitteleingangstemperatur aus der Umweltluft), und anschließend der Hochtemperatur WP2 Prozesskreis B. Dies ist auch zunächst ohne den Einsatz eines TEG Modul-Blockes und eines Wechselrichters möglich. Auch können alle Messungen und Daten vorläufig an einem sehr vereinfachten Versuchsmodell als ersten Schritt vorgenommen (z. B.: Basisversuchstest nur für WP1) werden. Ein besonderer Vorteil des Systems ist auch die automatische Leistungsanpassung immer im optimalen Arbeitsbereich. Im Normalbetrieb ist eine geringere Umweltenergieaufnahme (Qua) auch immer mit einer (Qen) Leistungsreduzierung, d. h. mit entsprechender Stromreduzierung der Kompressoren 3A1 und 3A2, verbunden. Die exakten theoretischen Parameter sind in in der Thermodynamik nur sehr schwer zu erfassen, und wegen der oft angenommenen Wärmeverluste nicht genau zu bestimmen. Die wirkliche nutzbare elektr. Überschuss Energie Qen (brutto) ist proportional der aus der Umweltluft gewonnenen Wärmeenergie Quv~Qua (aufgenommene netto Wärmeenergie ohne Berücksichtigung der Wärmeverluste) im offenen Energie System, eingebunden in den geschlossenen gesamten TEG-WP Wärmepumpenprozesskreislauf. Quw = Qua – Quv (Kaltluftabgabe Quw = Umweltluft Qua – Wärmeentzug Quv)
• Die Realisierung und Entwicklung des TEG-WP Prototypen findet in einem physikalisch sehr engen wärmetechnischen Grenzbereich (physikalisches Effektivitäts Machbarkeitsfenster) statt. Nur die Auswahl der allerbesten Materialien (s. Wärmeisolierung) und Anlagenteile führt zum Erfolg. Die nutzbare Energie entspricht auch der erzeugten elektrischen Energie minus der gesamten WP Betriebsverluste: Qen = Qel – Qvg (Fig. 1).
• 4.13 Zusammenfassung der wichtigsten TEG-WP Vorteile:
• 1. Eine TEG Überschussstromerzeugung (Qen) wird in einem zweistufigen WP System mit einer Energiegehalt Entropie „reduzierenden” Kompression in 3A1 und 3A2 ermöglicht, wobei eine TEG Kaltseiten Energieabgabe optimal im unteren Arbeitsbereich des WP Kältemittels R134a erfolgt. Die volle Kaltseiten Energieabsorption in (2b) wird erst mit der Verdampfung von Qvk, gemeinsam mit der Umweltluftenergie Aufnahme Quv, über die internen Energierückführungen in WP1 und WP2 (1e, und 14) realisierbar.
• 2. Erst die Energierückführung Qut ermöglicht eine effektive Wärmeenergieaufnahme Quv aus der Umweltluft Qua, und nur durch die Entropie „reduzierenden” Kompressoren 3A1 und 3A2 ist ein hoher thermisch-elektrischer Gesamtwirkungsgrad > 95% erreichbar.
• 3. Der geringe Massenstrom Wirkungsgrad der TEG Einzelmodule von ~5% wirkt sich im Verdampfungs- und Kondensationsprozess infolge der höheren Energiespeicher- und regenerierbaren Gasvolumenströme bei konstanten Temperatur- und Druckverhältnissen im WP Energietransfer [(P × V)/T = konstant] nicht aus. Dadurch ergibt sich praktisch eine TEG-WP Wirkungsgrad Erhöhung: ηGasTEG = Qv/Qm*ηTEG
• 4. Keine komplizierte Elektronik, konstante Kompressor Drehzahlen, Energieersparnis durch relativ geringe Volumenströme und dadurch kaum Wärmeverluste bei hoch effektiven Isolierungen (Vorteil gegenüber Flüssigkeitswärmeströmen, z. B.: Öl, Wasser).
• 5. Autarker 24 h Dauerbetrieb, bei hohen Außentemperaturen hohe Systemeffizienz.
• 6. Minimale Wartungsausfälle und keine Stillstandszeiten aufgrund wartungsfreier und langlebiger Halbleiterelektronik.
• 7. Keine Abfallprodukte, umweltfreundliche Kältemittel, ein TEG-WP Generator Systemaufbau ist mit Standardbauteilen wirtschaftlich möglich.
• 8. Einfache technische Konstruktion des WP Systems und Betriebsartenauslegung.
• 9. Optimaler Leistungsarbeitsbereich in den Kennlinienfeldern durch eine automatische Maximalwert geregelte Netzeinspeisung.
• 10. Automatische Arbeitspunktanpassung bei veränderten Umweltluft Bedingungen, d. h.
• variabler Energietransfer bei optimaler Systemauslegung.
• 11. Leistungserhöhungen durch eine Parallelschaltung mehrerer TEG Generator Modul Einheiten sind unbegrenzt realisierbar (s. Vervielfachung).
• 12. Maximale staatliche Umweltförderungsfähigkeit, 100% umweltfreundliche Energiegewinnung, keine CO₂ Belastung der abgegebenen Kaltabluft.
• 13. Kostenlose Primärenergie steht weltweit immer ausreichend zur Verfügung, dadurch ergibt sich langfristig gerechnet immer eine positive Amortisation der TEG-WP Systeme, besonders bei gleichzeitiger Nutzung von nutzloser Maschinen- oder Anlagen Abwärme, und Möglichkeit einer staatlichen Förderungsfähigkeit (z. B. BHKW).
• 14. Zukunftsfähigkeit der Systeme, und Erhaltung der natürlichen Umwelt, 100% regenerative Energiegewinnung: Umweltfreundlichkeit, (Nutzung von Abwärme im Verdampfer Luft-WT (1c) (z. B.: integriert in BHKW's, Blockheizkraftwerke).
• 15. Weltweit einziges elektrisches Generator System welches reine 100% umweltschonende Quw Kaltluft durch Wärmeenergieentzug als Abluft produziert (Quw = Qua – Quv).
• 4.14 Wirtschaftlichkeit
• Die wirtschaftlichen Einsatzmöglichkeiten sind global sehr vielfältig, insbesondere auch durch die problemlose Leistungssteigerung mehrerer parallel geschalteter TEG Moduleinheiten, bis hin in einen hohen kW Bereich. Eine Wirtschaftlichkeitsberechnung würde sich in jedem Fall durch die zu erwartende hohe Lebensdauer (s. Halbleiterbauelemente in der Elektronik), und durch einen fast wartungsfreien 24 h Dauerbetrieb, ohne mechanisch drehende Teile, ergeben. Für eine Realisierung des Prototypen TEG-WP können ausschließlich industrielle Standardbauteile, incl. der TEG Leistungsmodule, verwendet werden, dadurch wird das Entwicklungsrisiko erheblich reduziert. Bei der Beurteilung der Amortisation und Vermarktungsfähigkeit sollte der Faktor einer 100% tigen Umweltfreundlichkeit, eine weltweit unabhängige, kostenlose und dauerhafte Energieversorgung über das enorm in der Umweltluft gespeicherte Wärmeenergiepotential immer mit berücksichtigt werden, bei umweltschonender Kaltluftabgabe. Die Herstellung des Prototypen für eine großtechnische Nutzung wäre ein wichtiger Beitrag zur staatlich geförderten zukunftsfähigen erneuerbaren Energiegewinnung...
• 4.15 Bezugszeichenliste:
• Bezugszeichenliste

1

Qua Primärenergie, Umweltluft, (Maschinen-, Anlagenabluft), Exergie

Luftführung zur Entfeuchtung u. Kompressor Kühlung über die Verdichter

1a

DC Ventilator, variabel 30 Watt für Drehzahlregelung der Luftmenge, Sollwert –5°C (bei normaler relativer Eingangs-Luftfeuchtigkeit 15°C)

1b

Qua, Umweltluft Wärmeenergie (Energieaufnahme im offenen System)

1c

Quv, Verdampfer Luftwärmetauscher für Energieaufnahme > –5°C Energieaufnahme aus der Umweltluft Qua (Qua > Quv)

1d

Quw, das TEG-WP System erzeugt „kalte” Abluft: Quw = Qua – Quv

1e

Qut Rückführenergie nach 5a zur Temperatur Erhöhung des Kältemittels vor der 3A1 Kompression

2

Thermo-Elektrischer Generator TEG:

(2a Kondensator, 2b Verdampfer, 2c TEG Thermomodule)

2a

zentraler Kondensator WT 600 Watt netto (hot flow) Qvw (Heat Flow) Gas-Volumenstrom für Kondensation (T = konstant) Für System A1: ein Kondensator Wärmetauscher Für System A2: zwei Kondensatoren Wärmetauscher

2b

außenliegende Verdampfer, insges. 570 Watt netto (cold flow) Qvk (Cold Flow) Gas-Volumenstrom Verdampfungskühler WT Für System A1: zwei Verdampfer WT Für System A2: drei Verdampfer WT

2c

TEG Thermomodule, DC-Stromerzeugung 600 Watt netto, Beispiel: Für System A1/A2: 15 × 4 = 60/8 × 8 = 64 TEG Leistungsmodule, elektr. Leistung für A1: (10 W/Modul = 600 W), für A2: (9,5 W/Modul = 608 W)

3A1

Niedrig Druck Verdichter ca. 220 Watt (s = Entropie „reduzierend”)

3A2

Hochdruck Druck Verdichter ca. 150 Watt (s = Entropie „reduzierend”)

4A1

Niedrig Druck Expansionsventil, Volumenstrom-,Leistungseinstellung

4A2

Hoch Druck Expansionsventil, Volumenstrom-, Leistungseinstellung

5

Energieübertragung Qvt: 700 Watt netto Kondensator/Verdampfer System

(η ~ 92%) Energietransfer von WP1 nach WP2

5a

Kondensator (ca. 750 Watt)

5b

Verdampfer (ca. 700 Watt)

6

Wechselrichter (Netzeinspeisung: 200 W AC)

Qen elektrische Nutzenergie: (100% regenerativer Nutzstrom)

Energiebilanz: Qen = Qel – Qvg, Qen ≈ Quv (proportional)

Qen elektrische Nutzenergie: 200 W pro Einheit (ηen = 33%)

ηGasTEG = ηTEG*GF GF = Qv/Qm = 4,5

Qv spezifische Volumenstromdichte (W/cm²)

Qm spezifische Massenstromdichte (W/cm²)

7

Temperatur Sensor für Sollwert –5°C (Luftmengenregelung für 1c)

8

Prozesskreislauf A mit R134a Niedrig Temperatur WP1

9

Prozesskreislauf B mit HCFC-123 Hoch Temperatur WP2

10

geschlossener WP Kreislauf, zweistufiges Wärmepumpen System

Prozesskreislauf A (WP1) und B (WP2) Eigenstrombedarf gesamt:

Betriebsenergie Qvg = Qwp + Qvp (ca. 400 W)

11

Qwp Wärmepumpen Betriebsenergie nur Kompressoren Strom

12

Qvp gesamt Verluste Prozesskreislauf: Wärmeabstrahl- und

Übertragungsverluste: Verlustausgleich über die Modulanzahl

13

Qel Erzeugter (DC 600 W) Gesamtstrom Qel = Qen/ηen (ηen = 33%)

14

Energierückführung ca. 250 Watt brutto für Kältemittel HCFC-123

Temperaturerhöhung auf 120°C über Rohrwärmetauscher in WP2

15

Rohr Wärmetauscher in WP1, für Rückführ-Energie (~540 Watt) Qut

16

Qvk Kondensation bei 88°C zur Flüssigkeit 100%

17

V1 Ventil für 13% Volumenkammererhöhung der 3A1 Druckseite

18

V2 Ventil für 3% Volumenkammererhöhung der 3A2 Druckseite

19, 20

= zusätzliche Gasvolumenkammer für die Verdichter-Druckseite

21

Gasvolumenstrom Qvk: 560 g/min 100% gesättigt 2,5 bar –5°C

22

Gasvolumenstrom Qvk: 560 g/min 100% gesättigt 2,5 bar 60°C

23

Flüssigkeitsstrom Qvk: 560 g/min 30 bar 60°C (0% gesättigt vor 4A1)

24

Gasvolumenstrom Qvk: 100% gesättigt 30 bar 89°C

25

Gasvolumenstrom Qvk: 64% gesättigt 2,5 bar –5°C

26

Gasvolumenstrom Qvk: 45% gesättigt 2,5 bar –5°C

27

Flüssigkeitsstrom Qvw: 410 g/min 115°C 18 bar

28

Gasvolumenstrom Qvw: 410 g/min 100%gesättigt 18 bar 143°C

29

Gasvolumenstrom Qvw: 0% gesättigt 18 bar 140°C

30

Gasvolumenstrom Qvw: 25% gesättigt 5,5 bar 84°C

31

Gasvolumenstrom Qvw: 100% gesättigt 5,5 bar 120°C

32

Gesamtstromerzeugung Qel: 600 Watt DC netto

33

Gesamtbetriebsstrom Wärmepumpensystem + Lüfter: Qvg = 400 Watt DC

34

DC Nutzstrom Qen: 200 Watt (Qel – Qvg) netto

35

DC Stromteilung (Qen = Qel – Qvg)

36

CU-Kamm für vergrößerte Energieübertragungsflächen der Kaltseite (2b)

37

Polyurethan Isolierung (rundum) Microporöser Dämmstoff (λ = 0,024)

38

Edelstahlplatte verschraubt zur mechanischen Stabilität

39

Cu Wärmeübertragungsplatten für Energietransfer zu den Keramikplatten

40

fortlaufende WT Kühlrippen für das Verdampfersystem TEG Kaltseite

41

TEG Modulanordnung gegenüberliegend (2 × 40 × 40 mm)

42

für Kondensatbildung von Qvw: Ausgang tiefer gelegt (für Montage)

43

Beispiel: Für System A1 = 60, und für System für A2 = 64 × Thermomodule

40

× 40 × 3,2 mm TEG 199-150-2 mit Graphite Wärmeleitpaste beidseitig

Reduzierung von 1/k (Die TEG Leistungsmodule sind Stand der Technik)

44

Finnen 45° halbhoch (zur Reduzierung der Gasflussgeschwindigkeit)

45

Cu Stege verschweißt ~8–12 mm hoch

46

~4–6 mm WT Kupferplatten für Wärmeleitung

47

Luftspalt für Gasmedium ~8–12 mm, für Kondensator TEG Warmseite

48

für A1: Halbhohe Firmen, 6 mm Innere Cu Flächen in 45° aufgebaut und

Sandstrahl aufgeraut für Oberflächenvergrößerung, 2 × 15 Finnen

verschweißt in 2 Ebenen, für A2: Hohe Finnen Cu Flächen aufgeraut für

Flächenvergrößerung (Erhöhung des Wärmeübertragungswirkungsgrades)

49

Verschraubung 5 bis 10×, (für hohen Anpressdruck: ~5 kg/cm²)

50

Für System A1: ein Zentraler WT Kondensator für Qvw

Für System A2: zwei zentrale WT Kondensatoren für Qvw

51

Prozesskreislauf A Niedrigtemperatur WP1 (Kälemittel R134a)

52

Prozesskreislauf B Hochtemperatur WP2 (Kältemittel HCFC-123)

53

Liste der Vorteile des TEG in einem WP-System (Tabelle):

1) Die Energieabgabe der TEG Kaltseite ist in einem zweistufigen WPSystem

vorteilhaft integriert. Entropie „reduzierende” Kompressoren 3A1 und 3A2.

Wärmeenergieaufnahme über Luftwärmetauscher (1c), Energierückführung

Qut ermöglicht vollständige TEG Kaltseitenabsorption in 2b inclusive

Quv Aufnahme, Umweltenergie Aufnahme Qua über Verdampfer WT (1c)

2) Der geringe Massenstrom Wirkungsgrad der

TEG Module hat im Kondensations- u. Verdamp

fungs System hat keine Auswirkung (s. Faktor GF = 4,5)

3) Keine Elektronik, DC Kompressor Drehzahl elektronisch geregelt

Energieersparnis, kaum Wartung oder Reparatur

4) Autarker 24 h Dauernetzbetrieb ist bei niedrigen

Umwelttemperaturen besonders wirtschaftlich

5) Umweltfreundlich da keine Abfallprodukte, und

umweltfreundliche Kältemittel: R134a und HCFC-123

6) Keine Wartung, da keine drehenden Verschleiß

teile, sowie langlebiger Kupferwärmetauscher

7) Einfache technische Konstruktion u. Auslegung

8) Immer optimaler Leistungsarbeitsbereich durch

automatische, maximale Netzeinspeisung und

keine Zeit begrenzte Leistungsreduzierung,

da chemisch/physikalische Halbleitertechnik.

9) Praktisch unbegrenzte Leistungserhöhung

durch Vervielfachung der TEG-WP Einheiten.

10) Nutzung der kostenlosen Umweltluftwärme-, automatische Arbeitspunkt

Anpassung, Kaltluft als Abluft (weltweit einziges Generator System!)

11) Maximale staatliche Umweltförderungsfähigkeit, erneuerbarer Strom,

eine Staatliche Förderung kann erteilt werden (z. B. BHKW's)

12) Keine CO₂ Emission der erzeugten Kaltabluft Quw (umweltfreundlich)

13) Betriebsstromersparnis bei Abluftnutzung von Maschinen und Anlagen,

Erhöhung von COP (ηges. > 95%) bei Abluftnutzung über Verdampfer (1c)

54

Umweltfreundliche Kältemittel: R134a für WP1 (2b)

54a

Kältemittel für WP2 HCFC-123 für (2a)

55

Sektionen für die TEG Module (1. Sektion von 8 Sektionen System A)

56

PE, Teflon Isolierung allseitig Polyurethan Isolierung λ = 0,0015 kcal/mh°C

microporöser Dämmstoff zur optimalen Wärmeisolierung

57

Finnen zur Erhöhung der Gas Flow Verweilzeit im Wärmetauscher (s. λ)

58

System A: TEG-WP-A1 600 W 2WT(2b), 1WT(2a) Cu 600 mm 60 Module

System B: TEG-WP-A2 608 W 4WT(2b), 2WT(2a) Cu 320 mm 64 Module

59

Die Energie(Kälte) Übertragung (2b) geschieht nacheinander (sequentiell)

über die WT Cu Platten im Kamm angeordnet. Die Fläche der

Wärmeübertagung wird so ca. 6 × größer wie die entsprechende Keramik

Fläche der TEG's. Diese Konstruktion dient der höheren Energiedichte,

Leistungsaufnahme (W/cm²) und der besseren Wärmeübertragung (siehe

Wärmeleitfähigkeit für Cu [λ ~ 400 W/m*K}.

60

Kühler (WT) Verdampfer (2b) (Cu oder Al)

61

Cu (Al) Wärmetauscher (Kammlamellen für Verdampfer 2b)

62

TEG Module (2c) Keramikplatten (Wärmeleitwert 1 mm: 15 [W/mK])

63

DC Thermo-Gleichstrom von den TEG Modulen (z. B.: Reihenschaltung)

64

Graphite Wärmeleitpaste beidseitig < 10 μm Modulseitentrennung

mit ca. 0,1 mm Teflonstreifen für Wärme-,/Druckausdehnung

65

CU Stege eingeschweißt ~8–12 mm hoch für WT Warmseite

66

Hart-Cu-Platten gelappt ~4–6 mm hoch, Planizität 0,005 mm (A1)

67

Luftspalt für Gasmedium (hot) incl. Finnen

68

Luftspalt für Gasmedium (cold) Kammzwischenräume

70

Der Gasvorteil bei der Energieübertragung für mehrere TEG Module bei

ausreichenden Energieflüssen Qvw und Qvk beträgt: Qel = Qem*n

GF = Qv/Qm ~ 4,5, s. 10.

Daher gilt bei Gasvolumenströmen im TEG-WP System (Beispiel):

ηGasTEG = ηTEG*GF. Der Gleichstrom (DC Thermostrom) wird generiert

durch Wärmeübertragung. Der Wärmeenergieaustausch ist bei Gas

Volumen Strömen ~4,5 mal effektiver als bei Flüssigkeitsenergieströmen,

d. h. auch Reduzierung der Flussdichten W/cm² um den gleichen Faktor bei

gleicher Leistung, s. 10. Faktor GF = 4,5 [Qv/Qm] Qv = spez. Energie

im Volumenstrom und Qm = spez. Energie im Massenstrom (Flüssigkeit).

Beide Volumen der Wärmeströme sind im TEG bei gleichem Druck und

Temperatur immer konstant. Siehe Gasformel: [P × V/T = konstant]. Im Kondensations-, Verdampfungsprozess gilt daher auch immer für jedes TEG Modul: Die Temperaturdifferenz, der Volumenstrom und der Druck sind konstant. Qem = aufgenommene Qvwm – absorbierte Qvkm

Qel = (Qvwm – Qvkm)*n Qel = erzeugter Gesamtstrom

n = Anzahl der TEG Module

Für jedes Modul gilt im Volumenstrom bei ΔT = 145 K für TEG-WP (A): Die aufgenommene Energiemenge Warmseite = –240 W Qvwm Wärmestrom/Modul Die absorbierte Energiemenge Kaltseite = 230 W Qvkm. Die Modul Energie Differenz = –10 W. Qem = elektr. Strom/Modul. Da jedem in Reihe geschalteten Modul der Nennvolumenstrom für die Warm-, und Kaltleistung, durch Anpassung des Gassättigungsgrades bei konstanter Temperaturdifferenz ΔT, immer voll zur Verfügung steht, beträgt die Leistungsabgabe bei 60 Modulen 60 × 10 W = 600 W. Die TEG Module können deshalb immer auf den vollen energiereichen Volumenstrom zugreifen, da durch die kinetisch leicht beweglichen Moleküle im Gasvolumenstrom die Sättigungsgrade bei Leistungsentzug immer wieder neu regeneriert, d. h. 'aufgefrischt' werden. Deswegen kann so, wie oben beschrieben, gerechnet werden, was mit einem Flüssigkeitsmassenstrom nicht möglich wäre, da hier die Moleküle starr, unbeweglich d. h. energieärmer sind. Mit der Anzahl der Module können alle Wirkungsgrad- und Wärmeübertragungsverluste für die erwünschte Auslegung der Nennleistung ausgeglichen werden. Die Prozesskreis Wärmeverluste werden über die Energiekopplung der WP Kreise (WT5) ausgeglichen, d. h. Über die Kompressor Förderleistungen, ohne dass sich die Kennlinien im thermischen Kreisprozess A oder B verändern. Dadurch bleibt auch das Funktionsprinzip der

nutzbaren elektrischen Energiegewinnung Qen(6) immer gewährleistet.

71

WP1 Prozesskreislauf A (Energiepool = 100% Relative Prozentzahlen in

[kJ/kg] bezogen auf die Wärmepumpen Prozesskreisläufe)

72

WP2 Prozesskreislauf B

73

Qvk 25% (2b) Kältestrom

74

Energierückführung für Temp. Erhöhung 120°C (7%), 200 W in WP2 (14)

75

Energietransfer Rückführung Qut (24%) in WP1 über Rohr-WT (15)

76

WP1 nach WP2, Energietransfer Qvt 36% (5a/5b) η = 92%

77

(2b) Kaltseitenabsorption: Qvk ~ 0,95*Qvw, Qvw = Qvk/(1 – ηTEG)

Für die Systemleistungsauslegung muss mit ηTEG – 0,05 gerechnet

werden, für die maximale Wärmeenergieversorgung der TEG Module

78

Qua (1b) Luftwärmetauscher ca. 300 W für Quv Aufnahme

79

Quv Energieaufnahme (18%) über Luftwärmetauscher WT (1c) Qua > Quv

80

Quv Energieaufnahme (1c) im offenen Energiekreis (WP1) zur

Überschussenergiegewinnung für Qen

81

Qvt Energietransfer von WP1, (5a nach 5b) (–700 Watt netto 30%)

82

Wärmestrom: Qvw (2a) für die TEG Warmseite

83

TEG (2a), Qvw, Warmseite brutto ~0,65 kW

84

Qen ≈ (proportional) Qut im TEG System, Überschussenergie aus der

Umweltluftwärme, Quv = Energieaumahme (1c) 18% (Quw = Qua – Quv)

85

Nur im TEG-WP System gültig bei Volumenenergieströmen mit

ΔT

= konstant: Qel = Qvw (Ausgleich der Verluste über TEG Modulanzahl)

86

Wirkungsgrad Erhöhung Beispiel:

Das Kältremittelgas benötigt z. B. 100% Wärmeenergie um aus dem

Flüssigkeitsaggregatzustand in den Verdampfungspunkt zu kommen, dabei

wird die Strecke ((1)) zurückgelegt, wobei die Temperatur stetig ansteigt.

Um die Verdampfung ganz zu erzielen muss z. B. 300% Wärmeenergie

zugeführt werden, dabei bleibt die Temperatur konstant Strecke ((2)). Die

relativ große Energiezuführung entspricht z. B. der Exergie Verdampfung in

((1)). Die gleiche zugeführte Wärmemenge kann wieder über den WT (5a)

über eine Kondensation zurückgewonnen werden, d. h. es besteht die

Möglichkeit eines optimalen Energietransfers. Diese zurück gewonnene

Wärmeenergie wird im WP1/2 System zur Energienutzung in ein höheres

Temperaturniveau gehoben (siehe Wärmestrom Qvw, 2a).

Danach erfolgt wieder die normale Energiezufuhr im Bereich ((3)) mit

entsprechender Temperaturerhöhung (überhitzter Dampf, d. h. 100%

Sättigungsgrad).

87

Eine Temperaturerhöhung im Bereich ((1)) von z. B. T = 8% bei einer

Flüssigkeit, (dies wäre die maximale Temperaturdifferenz die für die TEG

Module eines Massenstromes mit einer Enthalpie von 2 (5 – 3,2 = 1,8) noch

wirtschaftlich sinnvoll ist), entspräche energiemäßig einer 6 fachen

Energieerhöhung im Bereich ((2)) eines Kondensations-,

Verdampfungsprozesses: 17 – 6 = 11, 11/1,8 ~ 6 facher Gasvorteil

gegenüber einem Flüssigkeitsmedium (GF = Faktor: Gas/Flüssigkeit).

Diese Betrachtungsweise ist für das hier beschriebene TEG-WP

Kondensations-, Verdamfungssystem realistisch, und bedeutet bei dieser

Art der Wärmeübertragung:

Der spez. Energieinhalt in gesättigten Gasen ist ca. 6× so hoch wie der in

Flüssigkeiten. Im TEG-WP System ergibt sich im Beispiel 3 ein

Faktor GF = 4,5, d. h. ηGasTEG = 4,5*ηTEG.

Für den Wärmeenergie Transfer bedeutet das eine 4,5 fache Erhöhung der

Dichte der Gasvolumenströme (W/cm²) gegenüber Massenströmen von

Flüssigkeiten (W/cm²), GF = Qv/Qm bei zusätzlicher sehr vorteilhaften

Temperaturkonstanz für ΔT im beiden Prozesskreisläufen (P × V/T = const).

88

Dieser Wärmeenergie Übertragungsvorteil wird auch in den TEG-WP

Berechnungsbeispielen bestätigt. Diese Formel ist allgemein gültig. Nur

der Erhöhungsfaktor GF ist von den Gasparametern der Kältemittelart

abhängig. Nur durch diesen anwendungsbezogenen Gasvorteil in einem

Wärmepumpensystem wird es möglich elektrische Überschussenergie aus

der Umweltluft zu gewinnen. Alle anderen technischen Systeme scheitern

an einem zu geringem Wirkungsgrad. Z. B. bei einem in Reihe geschalteten

Wärmepumpe-Turbine-Generator System müsste die Primärenergie um

ein Vielfaches erhöht werden, weil sich die Wirkungsgrade ungünstig

multiplizieren (z. B.: ηges = ηwp × ηturbine × ηgenerator).

89

Kompressor 3A1 mit Volumenvergrößerung (Vo2) über Druckventil V1

für eine „reduzierende” Entropie (s) über eine ca. 13% Gasvolumenkammer

Erhöhung. Die Entropie ist quasi konstant während der Kompression. Am

Ende der Druckerhöhung ist der Druck des Kältemittels bei der Volumen

Vergrößerung wieder der gleiche, wie bei einer Kompression mit konstanter

Entropie. Der Kompressor muss nur die Wärmeverluste ausgleichen,

die durch die Verdampfungs-Temperaturerhöhung auf 60°C entstanden

sind (s. 13). In Summe ergibt sich eine Kompressor Stromreduzierung

zugunsten der netto Stromerzeugung Qen (6).

90

Kompressor 3A2 mit „reduzierender” Entropie bei der Kältemittel

Verdichtung über eine 3% Gasvolumenerhöhung über ein Druckventil V2

(18). Die Kompressor Leistung muss nur die Verluste ausgleichen, die

durch die Verdampfungs-Temperatur Erhöhung auf 120°C (14) entstanden

sind. Nur das von der Temperatur Erhöhung größere Gasvolumen des

Kältemittels wird über (Vo1) angesaugt, und auf ein größeres Gasvolumen

komprimiert (Vo1 + Vo2), dabei ist immer (s) P × V/T = konst. (s. 13).

• 4.16 Gasvolumenerhöhung der Kompressoren 3A1 und 3A2
• 1. Fig. 12 Diagramm System a) Energiebilanz:
• Ein Standardkompressor mit konstanter Drehzahl und konstantem Volumen ergibt eine Vierdichterenergie entlang der konstanten Entropie Linie (z. B.: s = 1,9). Um die von der Energierückführung (1e) über den Rohr WT erhöhte Verdampfungs-Temp. des Kältemittels optimal zu nutzen, muss der Kompressor mit einer „reduzierenden” Entropie ausgelegt werden. Dadurch wird keine zusätzliche Energie (Enthalpie) durch die Kompression in das WP System eingespeist, die wieder neutralisiert werden müsste. So kann das WP System in einem leistungsreduzierten Prozesskreis Gleichgewicht (η > 95%) arbeiten. Es wird nur die kostenlose Wärmeenergie aus der Umweltluft (Quv) eingespeist, und effektiv zu einer höheren Temperatur gepumpt. Im geschlossenen Energiekreislauf können im gesamten Prozesssystem alle TEG Verluste immer über die Anzahl der TEG Module kompensiert werden. Die Energie Qvg (Wärmestrahlungsverluste, + Kompressorströme = 400 Watt) muss schon notwendigerweise als Betriebsenergie vom System selbst von der eigenen Stromerzeugung Qel aufgebracht werden (Qen = Qel – Qvg).
• 2. Fig. 12 Diagramm System b) Energiebilanz:
• Es entsteht durch die Energieaufnahme Quv aus der Umweltluft über den Entropie „reduzierenden” Kompressor 3A1 eine Überschussenergie in WP1, da durch die Kompressor Volumenänderung nur die erforderliche Druckerhöhung energiearm (Enthalpie reduzierend) erfolgt, weil die Kompressor Eingangstemperatur schon vom Rohr-WT (1e) auf einen erhöhten Wert (~60°C) gebracht worden ist. Diese Stromenergiegewinnung (Einsparung) des Kompressors 3A1 ist proportional zur Nutzstromerzeugung Qen. Es kommt also sehr darauf an einen Kompressor einzusetzen, der das Kältemittel bei Druckerhöhungen mit „reduzierender” Entropie bei erhöhter Kältemittel Eingangstemperatur verdichten kann (z. B.: s = 1,9 auf s = 1,68) mit einer stetigen Volumenerhöhung während der Verdichtung um 13% (s. 13). Der Einsatz (die Entwicklung) eines solchen Kompressors ist notwendig, damit die extern aufgenommene thermische Wärmeenergie (Quv) in einem zweistufigen Prozesskreislauf auch nutzbar eingebunden werden kann. Die Abluft Kälteenergie Quw (1d) ergibt sich aus: Quw = Qua – Quv. Sie belastet nicht die Umwelt als kalte TEG-WP Systemabluft. Die gesamte Prozesskreis Betriebsenergie Qvg beträgt ca. 400 W, bei 100%tiger Energieumwandlung (Verdampfung und Kondensation im Nennbetrieb). Das System ist also mit dem TEG im thermischen WP Energie Gleichgewicht. Der Gesamte Prozesskreis Leistungsfaktor beträgt danach (interner COP Wert): Leistungszahl COP = 600 W/400 W = „1,5”
• Da aber der Betriebsstrom nicht extern zugeführt wird, sondern vom System selbst erzeugt wird, kann auch über die extern aufgenommene Gesamtenergie Qua von brutto 350 W gerechnet werden: Leistungszahl COP = 350 W/200 W = „1,75”
• Auch dieser „Leistungsfaktor” hat nur einen theoretischen, d. h. symbolischen TEG-WP Auslegungswert, da ja die Primarenergie Quv kostenlos ist. Im Prinzip kann man deshalb mit einem hohen Leistungsfaktor (> 10) rechnen, wenn man die Gestehungskosten (bis zur Amortisation) langfristig mit berechnet, d. h. über die gesamte Lebensdauer des TEG-WP Systems. Die gesamte Nutzenergie Qen wird aus der aufgenommenen Umweltluft Wärmeenergie Qua (ca. 300 W) über den Luft-WT (1c) in das WP-System von außen (offenes System) eingespeist. Damit ergibt sich bilanzmäßig die netto Überschussenergie Quv(Quv~Qel – Qvg) wenn das WP System im thermischen Gleichgewicht mit η > 95% arbeitet. Diese netto Überschussenergie Quv wird vom TEG-WP System sehr effektiv wieder in elektrische extern nutzbare Energie Qen als DC-Strom zum offenen Energiesystem umgewandelt: Qen ≈ Quv Fig. 9 (s. Energiebilanzplan)
• Damit wird mit dem TEG-WP System eine elektrische Nutzstromerzeugung auch in der Praxis realisierbar...
• 4.17 Gasvolumenerhöhung der Kompressoren 3A1 und 3A2
• Die Nutzstromgewinnung (Qen) wird durch die externe Wärmeenergiezuführung Quv von der Umgebungsluft ohne extra Enthalpie Energie Zuführung in den WP1 Kreis erreicht, was durch eine Volumenvergrößerung bei der 3A1 Kompression realisiert wird (s. 13).
• 1. Berechnung der Volumenvergrößerung bei der Gas-Kompression
• Bei der Kompression 3A1 (3A2) mit einer ”reduzierenden” Entropie (s): P*V/T = konstant Volumenberechnung (V) relativer Wert vor der Kompression (Entropie s = 1,9/1,75): 3(5) bar × V/60(120)°C = 1,9(1,75) V = 38(42)
  Volumenberechnung (V) relativer Wert nach der Kompression (s = 1,9 1,75): 30,2(18) bar × V/145(164)°C = 1,9(1,75) V = 9,12(15,9) Diff. = 38 – 9,12 = 28,9(26,1)[rel.]
  Volumenberechnung (V) für reduzierte Entropie (s = 1,68 1,7) nach der Kompression: 30,2(18) bar × V/90(144)°C = 1,68(1,7) V = 5,0(13,6) Diff. = 38 – 5,0 = 33(28,4) [rel.]
  Volumenvergrößerung für die Gaskompression für 3A2 (siehe Klammerwerte).
• 2. Ergebnis einer Gas-Kompression mit einer ”reduzierenden” Entropie:
• Das Gasvolumen wird sich hierbei von relativ 28,9 auf 33 erhöhen, d. h. um: 33 – 28,9 = 4,1 rel (28,4 – 26,1 = 2,3) Volumeneinheiten. Das entspricht einer Gasvolumenerhöhung nach den Kältemitteldiagrammen von: 100/31,5 × 4,1 = 13(3)% für die erwünschte Entropie ”reduzierende” Kompression für 3A1 und 3A2, verbunden mit einer geringeren Strom Aufnahme, Pos. 4(10)–5(11) in 11, 12. Eine Volumenvergrößerung (s. 13) in der Kompressionsphase um 13(3)% bewirkt eine sich theoretisch auswirkende Entropie Reduzierung von s = 1,9(1,75) auf s = 1,7(1,7). Diese bleibt aber nach der Gasformel (s. o.) konstant. Es ist möglich einen Standard Kompressor so zu ändern, dass eine zusätzliche Volumenkammer Vo2 von ca. 13(3)% auf der Druckseite über V1/V2 ermöglicht wird. Der Einsatz eines derartigen Kompressors ist notwendig, damit der Energiegehalt der Umgebungsluft (Quv) in den gesamten Wärmepumpen Prozesskreislauf A und B mit eingebunden wird. Die elektrische Stromaufnahme eines solchen Kompressors wird sich erheblich reduzieren, da die Verdampfungs-Temperatur der Kältemittel durch Qut vom Rohr-WT (WP1, 1e) schon auf 60°C, und für WP2, 14 auf 120°C, erhöht worden ist.
• 3. Nutzstromerzeugung:
• Der Anteil der so gewonnenen geringeren Kompressor Leistung 3A1 wirkt sich als positive Überschuss Wärmeenergie (Quv) im gesamten geschlossenen WP Kreislauf aus, und kann deshalb in einen nutzbaren elektrischen Strom (Qen) umgewandelt werden.
• 4. Zusammenfassende Bemerkungen zum TEG-WP Energiekonzept:
• Insgesamt werden vom TEG-WP System folgende wichtige Voraussetzungen erfüllt:
  Das Wärmepumpensystem arbeitet mit der TEG verlustarm im internen thermischen Prozesskreis-Gleichgewicht, d. h. die Kältemittelverdampfung entspricht ca. der Kältemittelkondensation (s. ηTEG ~ 5%Abweichung). Dies wird durch die Druck-, und Temperaturkonstanz bei sich verändernden Sättigungsgraden in Gasvolumenströmen erreicht. Eine konstante Temperatur Differenz für die Warm-, und Kaltseite der TEG Module wird dadurch immer garantiert. Der geringe Flüssigkeitswirkungsgrad der TEG Module von ca. nur 5% spielt bei der Gasvolumenstrom Energieübertragung keine Rolle, da durch die konstante Temperatur Differenz alle Wärmeübertragungs-, und Leistungsverluste über die Anzahl der Module ausgeglichen werden können. Die Energie für die Kältemittel Verdampfung (Qvk) kann durch eine zusätzliche Rückführung (Qut) in WP1 vollständig für den Wärmepumpen Gleichgewichtsprozess absorbiert werden. Damit wird ein effektiv arbeitendes strombetriebenes WP System, mit einem Wirkungsgrad von > 95%, mit dem vom System selbst erzeugten elektrischen Gleichstrom (Qel) realisiert. Eine externe separate Wärmeenergie aus der Umgebungsluft (Quv) wird in das geschlossene WP-System (WP1) über den Luft WT energiearm eingebunden, damit sich eine Überschussenergie im gesamten Prozesskreislauf A & B ergibt. Die Wärmeenergie (Quv) kann alternativ wirtschaftlich von einer Maschinen- oder Anlagenabluft für eine Erhöhung von COP in das TEG-WP System eingespeist werden. Diese Wärmeenergie kann dann wiederum direkt in eine extern nutzbare elektrische Energie (Nutzstrom Qen), zu 100% umweltfreundlich und regenerativ, umgewandelt werden.
• 4.8 Weitere Anwendungsmöglichkeiten für den TEG-WP
• Das TEG-WP System kann auch sehr wirtschaftlich als Kälte-Klimaanlage im AußenTemperaturbereich von 20°C bis 60°C (Qua), bei gleichzeitiger Nutzung der Stromerzeugung (Qel), eingesetzt werden. Hierbei kann der erzeugte Überschussstrom (Qen) entweder zum Eigenverbrauch, oder für eine Netzeinspeisung, verwendet werden. Der große Vorteil besteht darin, dass die Anlage immer kostenlos im 24 Stunden Dauerbetrieb effektiv arbeiten kann (Quw = l00%), da die abgenommene Kälteleistung unabhängig von der jeweiligen Raumtemperatur sowie der Tageszeit ist, und die überschüssige kalte Abluft einfach umweltfreundlich wieder nach außen abgegeben werden kann (s. 14a). Im Falle einer Systemauslegung, wobei kein Überschussstrom generiert werden soll (Qel = Qvg, z. B.: In ”warmen” Ländern als Option einer preiswerten Anlage), schaltet sich die Kälte-Klimaanlage bei einer Außentemperatur geringer als 18°C automatisch ab. Ist die Außentemperatur aber über 18°C, dann arbeitet die Anlage ohne Betriebsstrom, d. h. mit einem erhöhtem Leistungsfaktor COP, da der volle Betriebsstrom immer bei 100%tiger Kaltluft Erzeugung (Quw) vom Klimagerät selbst erzeugt wird, und der nicht genutzte Kaltluftanteil nach außen abgegeben wird (s. 14b). Weitere großtechnische Einsatzmöglichkeiten bestehen ebenfalls bei höherer Leistung (Quw) und mit entsprechend angepassten Kältemitteln und einer Umweltluft Entfeuchtungs-Anlage für: Luftkühlanlagen für Lebensmittel in Kühlhäusern bis 0°C, oder für Gefrierhäuser bis –20°C (s. 14c). In allen Fällen handelt es sich um eine sehr umweltfreundliche, und für die Zukunft notwendige regenerative Entlastung des öffentlichen Versorgungs-Stromnetzes. Allgemein gilt, dass die TEG-WP Luft-Kälteanlagen bei hohen Außentemperaturen besonders effektiv, und auch wirtschaftlicher gegenüber anderen Kälte-(Klima-)Anlagen, arbeiten. Um die Effektivität des TEG-WP Systems bei tiefen Außenlufttemperaturen zu erhöhen, kann die Basiskennlinie in den negativen Bereich (z. B.: auf –10°C bei 2 bar) verschoben werden, und die Außenluft (Qua) als Kühlluft für die Verdichter und als Luftentfeuchtung über die beiden Kompressoren angesaugt werden.
• 4.15 Bezugszeichenliste:
• 17, 18 = Druckventile (3A1: 25–30 bar)
• 19, 20 = Zusätzliches Volumen Vo2 3A1: Vo1 = ~85% Gasvolumen 3A1: Vo2 = ~15% Gasvolumen
• 22, 31 = 3A1: 2,5 bar 60°C (100%)
• 24, 28 = 3A1: 30 bar 87°C (100%)
• 91 = Die Gasvolumenerhöhung entspricht einer Entropie reduzierenden Gaskompression von s = 1,93 auf s = 1,68, verbunden mit einer geringeren Stromaufnahme des Verdichters 3A1. (siehe 12, Pos. 4 nach 5).
• Beispiel:

  pR 134a HITACHI-Highly
  BSA586SDM 3,8 kg (Höhe 172 mm)
  2000–6000 U/min COP = 3,3
  Kälteleistung: 750 Watt (Btu 2500)
  Vol = 6 cm3 Vo2 = 0.9 cm3
  Druckverhältnis ca. 10
  Berechnung der sich praktisch auswirkenden
  reduzierenden Entropie (s) durch	s = 2,5 bar × 46,4 Vo/60°C = 1,93
  Volumenvergrößerung Vo2:	30 × 5,6/87 = 1,93
  	30 × 4,87/87 = 1,68
  P × V/T = const.(s)	4,87 × 1,1 55,6
  s. Kennliniendiagramm R134a:	1,15 >> 15/0
  	Entropie (s) const. = 1,93~1,93

• 92 = COP von 3A1 = ca. 3,2 Twin-Rotary DC Inverter Kompressor: 700/3,2 = 220 Watt Qvt Kälteleistung ca. 700 Watt Vo2 Volumenvergrößerung: 15% von (Vo1: 6cm³/re) = 0,9 cm³ V1 = variables Druckventil 25–30 bar 5 = Wärmetauscher (30/2,5 bar) siehe 3 1e = Rohr WT ~ 500 Watt netto siehe 3 Qua: Die angesaugte Umweltluft sollte über 3A1 zur Kühlung des Verdichters und zur Reduzierung der Luftfeuchtigkeit geführt werden.
• 93 = Inverter: n → Regelung, n = 2000–6000 U/min
• 94 = 25–30 bar Sollwert
• 95 = Volumenstrom = 560 g/min, (Kompressor Leistungseinstellung)
• 96 = 100% Energiegewinnung aus der Umweltluft COP > 10 a) 24 h kostenloser Einspeisestrom 200 W incl. Kaltluft Klimaanlage b) 24 h kostenloser Betriebsstrom nur für Kaltluft Klimaanlage c) 24 h kostenlose Kaltluftanlage bis 0°C für Lebensmittelkühlung bis –20°C für Gefrierkühlhaus (mehrere TEG-WP Einheiten parallel)
• 97 = Raumluft = 21°C T = konstant Sollwert 21°C
• 98 = Kaltluft Überschuss

• 99 =	Kompressor 3A1 Sollwerte:	input =	R134a(HCFC-123)
  	Vol = 85% Gasvolumen		560(410) g/min
  	Vo2 = 15% Gasvolumen		60(120)°C, 2,5(5,5) bar
  			100% gesättigt
  	Kompressor 3A2 Sollwerte:	output =	87(143)°C
  	Vo1 = 97% Gasvolumen		30(18) bar
  	Vo2 = 3% Gasvolumen		100% gesättigt

• DC Hub-Kolbenkompressor mit gesteuerten Ventilen: Funktionsbeispiel (symbolische Darstellung)
  Drehrichtung: 1 = V1, V3 schließt, V2 öffnet
  2 = V2 schließt, V3 öffnet
  3 = V1 öffnet (Auslasszeit = Zeit zwischen 3 und 1)
• Gleiches gilt auch für einen DC Inverter Roll-Kolbenverdichter mit zusätzlicher Volumenkammervergrößerung (Vo2) auf der Druckseite mit Hilfe eines Druckventils V1

Claims (1)

1. Die Ansprüche werden damit begründet, dass die Funktionsweise und Aufbau des Wärmepumpensystems mit einem Thermoelektrischen Generator TEG-WP dadurch gekennzeichnet ist, dass 1. der TEG-WP, die in der Umweltluft Qua enthaltene Wärmeenergie Quv (1c) über einen Luft-Wärmetauscher nutzt, um damit über ein Wärmepumpensystem regenerativ, umweltfreundlich und ohne mechanischen Antrieb elektrischen nutzbaren Strom Qen (6) zu erzeugen, der aus vielen, im TEG Modulblock (2) zusammengeschalteten, Einzelmodulen (2c) über eine hohe Temperaturdifferenz ΔT, mit den Kältemitteln R134a und HCFC-123, durch direkte Konvektion Wärmeübertragung über Flächen WT (2a und 2b) generiert wird, wobei das TEG-WP System mehr elektrischen Strom Qel erzeugt, als es selbst verbraucht (Qvg), und die aufgenommene Umweltwärme Energie Quv, in das geschlossene WP System effektiv einspeist, um daraus autark einen extern nutzbaren elektrischen Strom Qen (6) umzuwandeln (Qen ≈ Quv). 2. nach Anspruch 1 der TEG-WP den erzeugten elektrischen Strom Qel zu 67% für den WP Eigenbedarf Qvg verwendet, und den übrigen Teil Qen für eine Fremd-, oder Eigennutzung, oder für eine direkte Netzeinspeisung vorsieht, und dass eine hohe System Effektivität (ηges > 95%) über die Umweltluft Energieaufnahme Qua (1b) dadurch erreicht wird, indem die Energie Quv über einen Luft WT (Verdampfer) aus der Umweltluft direkt in den Prozesskreislauf WP1 übertragen wird, bei zusätzlicher Verdampfung des Kältemittels im Verdampfer (2b) zur vollständigen TEG Kaltseiten Energie Absorption, und indem eine Kompression mit „reduzierender” Entropie der Energiegehalte in 3A1 bei geringerer elektrischen Leistungsaufnahme erfolgt, und insbesondere auch dadurch, dass in WP1 der Energieanteil Qut zurückgeführt wird, damit im gesamten geschlossenen WP Prozesskreislauf eine Überschussenergie entstehen kann, welche der aus der Umweltluft aufgenommenen Energie Quv proportional entspricht, und die dann, als umgewandelte elektrische Energie Qen (6), extern im offenen Energiesystem wieder genutzt werden kann. 3. nach Anspruch 1 und 2 mit den Kompressoren (3A1) und (3A2) im zweistufigen, getrennt voneinander arbeitenden Energie gekoppelten effektiven WP System die Nutzenergie Qen dadurch entsteht, dass der WP Eigenbedarf Qvg geringer ist, als der erzeugte gesamte elektr. Strom Qel, der durch die Energie Übertragungen in (2a) und (2b) über ein Verdampfungs- und Kondensationssystem im TEG Block (2) generiert wird, wobei der geringe Massenstrom Wirkungsgrad der TEG Module im WP System keine Auswirkung hat, da für die Gasvolumen Ströme Qvw und Qvk mit einem erhöhten TEG Wirkungsgrad (Qen ≈ Qel*ηGasTEG), infolge einer höheren spezifischen Energiedichte (GF = 4,5), gerechnet werden kann, und sich dadurch auch geringere Kältemittelströme und kleinere Leitungsoberflächen ergeben, die auch mit geringeren Energietransfer- und Strahlungsverlusten Qvp, sowie mit kleineren räumlichen Abmessungen bei effektiveren Wärmeisolationen verbunden sind, und wobei die Wirkungsgrad- und Wärmeverluste über die Anzahl der TEG Module für die geplante Nennleistung Qel ausgeglichen werden kann, damit immer ein nahezu thermisches Gleichgewicht der TEG Leistungsabgabe über die Verdampfung und Kondensation zu einen maximalen Wirkungsgrad (ηges > 95%) erreicht wird. 4. nach Anspruch 1 bis 3, dass der Wärmeenergietransfer im TEG Block (2) mit konstant gleichbleibend hohen Temperaturdifferenzen ΔT zwischen 2a und 2b über Gasvolumenströme für eine optimale Kontaktwärmeübertragung über die Keramikplatten zu den Modul-Thermocoupels (2c) zur direkten DC Stromerzeugung realisiert wird, wobei alle Module die jeweilige Wärme-, Kälteenergie für die Stromumwandlung Qel den Volumenströmen nach der Formel Qvw = Qvk/(1 – ηTEG) immer voll entnehmen können, da der Energietransfer bei konstantem ΔT nach der Gasformel (P × V/T = konstant) ausschließlich über Sättigungsgrad Änderungen der Kältemittel Gasvolumenströme geschieht, wobei sich die jeweiligen Modul Leistungsentnahmen Qem, durch die freie Beweglichkeit der Moleküle im Gasstrom, automatisch anpassen, und sich die Sättigungsgrade auf der TEG Warmseite Qvwm (2a) sequentiell reduzieren und auf der Kaltseite Qvkm (2b) sequentiell erhöhen. 5. nach Anspruch 1 bis 4 die Kältemittelkompression im Prozesskreislauf A (WP1) und B (WP2) über DC Inverter Verdichter mit Druckventilen zur Entropie „reduzierenden” Gasvolumen Vergrößerung (z. B.: nach 13) für Niederdruck (3A1) und für Hochdruck (3A2) ausgeführt wird, wobei der Prozesskreis Energietransfer Qvt mit einem hohem Wirkungsgrad über ein Verdampfer-Kondensator System (5) mit genau angepassten Übertragungsleistungen verschieden großer Kältemittel Volumenströmen und Drücken realisiert wird, und wobei die Wärmeenergie Übertragung für eine effektive Energieumwandlung im Prozesskreislauf A mit R134a für die TEG Kaltseite, und im Prozesskreislauf B mit HCFC-123 für die TEG Warmseite, mit unterschiedlichen Kältemittel Enthalpie Gehalten, im thermisch günstigen Kennlinienbereich der Diagramme mit minimalen Energieübertragungs- und Anpassungsverlusten ausgelegt ist, und besonders auch dadurch, dass sich 1. durch die Energierückführung Qut (1e) im oberen Kennlinien Bereich von R134a die erhöhte Kältemittel Verdampfungsfähigkeit, gemeinsam mit der TEG Kaltseite und der Umweltluft Energieaufnahme (Quv), bei gleichzeitiger Kältemittel Temp. Erhöhung vor 3A1, ergibt, und besonders auch dadurch, dass 2. durch die Energierückführung im WP2 System (14) eine Kältemittel Temperatur Erhöhung vor 3A2 realisiert wird, die dann, infolge eines geringeren Kompressor Stromes, zu der notwendigen Effizienz Erhöhung im gesamten WP Systems führt. 6. nach Anspruch 1 bis 4 die Absorption der TEG Kaltseitenenergie Qvk im Verdampfer (2b) mit dem Ventilator (1a) über die Luftmenge Qua, die über die 3A1/2 Verdichter zur Entfeuchtung und Kompressorkühlung geführt wird, mit einem Sollwert von –5°C des Sensors (7) am Verdampfer Ausgang (2b) auf den Basis Kennlinien-Bereich geregelt wird, und dass sich das System automatisch über die Regelung, bei Eingangschwankungen von Qua Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit, und bei elektr. Systemleistungsschwankungen Qel, sowie bei Schwankungen der Netzeinspeisung Qen, über die Kompressor Stromaufnahme selbst anpasst, und dass dadurch das TEG-WP System immer im günstigsten Kennlinienbereich arbeitet, und zwar mit einem optimalen thermischen Gesamtwirkungsgrad ηges > 95%. 7. nach Anspruch 1 bis 4 der vom TEG-WP erzeugte Nutzstrom Qen entweder in das öffentliche Netz eingespeist oder zum privaten Eigenverbrauch genutzt wird, und dass das System besonders effektiv bei hohen Primär (Qua) Eingangstemperaturen arbeitet, wobei sich der thermisch elektrische Gesamtwirkungsgrad (Leistungsfaktor COP) ohne CO2 Schadstoffabgabe bei gleichzeitiger Nutzung von Maschinen-, oder Anlagenabluftwärme (Quv) über den Verdampfer (1c) erhöht, und alternativ eine System integrierte Stromerzeugung möglich ist, wobei alle Voraussetzungen für eine staatliche Förderung einer 100%tig umweltfreundlichen und regenerativen Stromerzeugungsanlage erfüllt werden, insbesondere auch deshalb, weil vom TEG-WP System nur umweltverträgliche kältere Abluft an die Umwelt zurück gegeben wird. (Quw = Qua – Quv). 8. nach Anspruch 1 bis 4, der TEG WP über den TEG Block (2) die zugeführten Wärmeenergien Qvw und Qvk direkt in elektrische Energie (Qel~Qvw) umweltfreundlich, regenerativ, wartungsarm über langlebige Halbleiterelektronik geräuschlos umwandelt, wobei das System den Nutzenergiestrom Qen (6) kontinuierlich ohne Stillstandszeiten in einem autarken 24 h Jahres Dauerbetrieb mit Hilfe der kostenlosen Wärmenergie Qua, d. h. Quv aus der Umgebungsluft, oder Quv aus Maschinen-, oder Anlagenabluft, erzeugt, und dass das TEG-WP System für Leistungserhöhungen, durch eine einfache Parallelschaltung mehrerer Standard TEG Blockeinheiten (2), praktisch unbegrenzt durch eine Vervielfachung erweiterbar ist. 9. nach Anspruch 1 bis 4 der TEG Flächenwärmetauscher Kondensator (2a) für die Warmseite Qvw im TEG Block (System A1) zentral mittig angeordnet ist, und die Kaltseitenwärmetauscher Verdampfer (2b) außen liegen, die im Gegenstromprinzip von Qvk durchflossen werden, oder der Block (System A2) wird zur Reduzierung der Baulänge auf parallel geführte Kühleinheiten mit zwei Kondensations WT (2a) zentral montiert, die mit vier integrierten Kaltseiten Verdampfer Platten (2b) verbunden sind, wobei die TEG Module eng aneinander und gegenüberliegend (2c) direkt auf den WT Platten (2a und 2b) doppelseitig paarig mit einer Wärmeleitpaste im Modulverband auf sehr planen CU Flächen montiert sind, und dass die WT Platten fest mit einem hohen Anpressdruck zusammengeschraubt werden, und vollständig allseitig zur Reduzierung der Abstrahlungswärmeverluste hoch wärme-isoliert aufgebaut, und zur Stabilität mit einer Edelstahlplatte fest verschraubt sind. 10. nach Anspruch 1, 2, 8 und 9 sich im Inneren des TEG (2) viele Finnen zur besseren Wärmeleitfähigkeit λ befinden, und sich dadurch die Fließgeschwindigkeiten (Verweilzeiten) der Energie Ströme Qvw und Qvk reduzieren, wodurch sich die Wärmeübertragung entscheidend verbessert, und die TEG Kaltseiten (2b) in einem kammähnlichen Muster mit Lamellen flächenvergrößert zur besseren Wärmeübertragung ausgelegt sind, damit der sequenzielle Energietransfer über das Kältemittel längs der Baulange immer mit konstanter Temperaturdifferenz ΔT unabhängig von der Modulanzahl erfolgen kann, und so die Wärmeenergie direkt auf den Cu Teil der WT's, die mit den Keramikseiten der TEG Module fest verbunden sind, auf die Thermocoupel gleichbleibend ohne Temperaturabfall und verlustarm übertragen wird, oder, dass die Energieübertragung direkt auf Wärmetauscher aus stranggepresstem, beidseitig planen und Längen variablen A1-Kühlern, mit Innenbohrungen für die Energieübertragung der Kältemittelströme, bestehen. 11. nach Anspruch 1–10 die in den Funktionsbeschreibungen und Prinzip Schaltbildern dargestellten Konstruktionszeichnungen und Arbeitsweisen, die über Parameter und Kennlinienfelder mit technischen Daten detailliert beschrieben sind, eine Grundlage zur Planung, Herstellung und Durchführung eines Prototypen zur nutzbaren Stromerzeugung mit einem TEG und einem dafür genau abgestimmten zweistufigen effektiven WP System darstellen, und dass bei Anwendung anderer Kältemittel, als in den Ausführungsbeispielen mit R134a und HCFC-123 beschrieben, dann prinzipiell auch die gleichen System Daten und Kennlinienparameter des TEG-WP Systems gelten, jeweils bezogen auf die alternativen Kältemittel, mit eventuell unterschiedlichen absoluten, oder interpolierten technischen Zahlen-/Energiewerte. 12. nach Anspruch 1–11 das TEG-WP System, 1. als Kälteklimaanlage im Außentemperaturbereich von 20°C bis 60°C verwendet werden kann, während gleichzeitig der überschüssige Strom (Qen) entweder in das öffentliche Netz eingespeist, oder zum Eigenverbrauch genutzt wird, oder 2. der Betriebsstrom der Kälte-Klimaanlage vom TEG-WP System ganz erzeugt (Qel = Qvg) wird, wobei in beiden Anwendungen 1 und 2 erhebliche Betriebskosten eingespart werden, insbesondere durch die Stromvergütung bei einer Netzeinspeisung, mit dem gemeinsamen Vorteil, dass die Klimaanlage immer im 24 Stunden Dauerbetrieb effektiv arbeitet, und die überschüssige Kälteleistung wieder an die Außenluft abgegeben wird, und 3., dass bei großtechnischen Anwendungen das TEG-WP System (mehrere parallel geschaltete Einheiten) als Kaltluftanlage für Lebensmittelkühlungen bis 0°C, oder für Kühlhäuser bis –20°C eingesetzt werden kann, wobei sich bei allen Kühlluft Nutzanwendungen erhebliche Betriebsstrom Kosteneinsparungen ergeben, und das öffentliche Stromnetz stark entlastet wird, durch eine vom Stromnetz unabhängige, eigene anlagenspezifische, umweltfreundliche und regenerative TEG Stromversorgung, und 4., dass die Effektivität des TEG-WP Systems bei tiefen Außenlufttemperaturen dadurch erhöht wird, indem die Basiskennlinie von R134a in den negativen Bereich (z. B.: auf –10°C bei 2 bar) verschoben wird, und die Außenluft (Qua) als Kühlluft über die beiden Kompressoren (3A1 und 3A2) angesaugt wird.

Images