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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Temperieren eines Mediums gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bzw. 11.
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Die Klimatisierung von Fahrzeugen, wie Pkw, Lkw, Busse, Straßenbahnen, Reisezugwaggons und dergleichen, sowie von Gebäuden, wie Wohngebäuden, Bürogebäuden, Werkhallen, Produktionshallen und dergleichen, ist wichtig für das Wohlbefinden und die Sicherheit der Personen die sich in Fahrzeugen und Räumen aufhalten.
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Von einer Vollklimatisierung nach DIN EN 13779 spricht man, wenn die Klimaanlage Lüftung, Heizung, Kühlung, Befeuchtung und Entfeuchtung gewährleistet. Eine Teilklimatisierung gibt es in den Varianten: Lüftung und Heizung mit und ohne Befeuchtungsfunktion, mit Kühlfunktion und mit Kühl- und Befeuchtungsfunktion.
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Bekannte Mittel für die Klimatisierung von Räumen bzw. die Temperierung von Medien, die dann die Klimatisierung von Räumen bewirken können, sind Wärmepumpen (für die Heizung) und Klimaanlagen (für die Kühlung).
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Derartige Elemente können aber auch als Temperierungsaggregate für Maschinen und Anlagen für die Erwärmung oder Kühlung eines Arbeitsmediums, z.B. einer Flüssigkeit, eingesetzt werden zum Betreiben von Kühl- oder Temperierungsgeräten, bspw. im Zusammenhang mit Haushaltsgeräten, sog. „weißen Geräten“.
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Typische Merkmale derartiger Wärmepumpen und Klimaanlagen nach dem Stand der Technik sind folgende:
- • Es gibt einen Wärmemediumkreislauf, wobei ein in dem Wärmemediumkreislauf geführtes Wärmemedium verdampft und verflüssigt wird
- • Es gibt einen Verdampfer (meist Plattenwärmeübertrager), in dem das Wärmemedium einem Phasenübergang unterzogen (verdampft) wird.
- • Es gibt einen Verdichter bzw. Kompressor für das Verdichten des Wärmemediums (hauptsächlich sind dies Scroll-Verdichter).
- • Es gibt einen Kondensator bzw. Verflüssiger (meist Plattenwärmeübertrager) zum Verflüssigen des zuvor in dem Verdampfer dem Phasenübergang unterzogenen Wärmemediums.
- • Es gibt ein Expansionsventil zum Entspannen des Wärmemediums.
- • Es wird in der Regel ein klimaschädliches Wärmemedium verwendet (meistens R134a, R407c, R410a). Diese Wärmemedien haben ein sehr hohes Erderwärmungspotential (GWP) [nach Bundesfachschule Kälte-Klima: für R134a: 1.430, entspricht 19,86 Jahre, für R407c: 1.770, entspricht 24,58 Jahre, für R410a: 2.090. entspricht 29,03 Jahre].
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Eine heute übliche Wärmepumpe steht unter erheblichem Druck von bis über 20 bar. Dadurch ist die Gefahr von Leckagen und Unfällen größer. Außerdem müssen entsprechend sichere Materialien und dickere Materialstärken genutzt werden.
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Wegen des Einsatzes der oben genannten und anderer heute üblicher Wärmemedien kann nicht jedes Material, welches grundsätzlich für die Temperaturen geeignet ist, für den Aufbau entsprechender Vorrichtungen verwendet werden.
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Der in den heutigen Systemen verwendete Verdampfer ist typischerweise eine spezielle Anfertigung eines Wärmeübertragers, da innerhalb des Wärmeübertragers eine Aggregatzustandsänderung von flüssig auf gasförmig stattfindet.
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Scroll-Verdichter sind zwar laufruhig, besitzen aufgrund geringer mechanischer Verluste eine hohe Effizienz und weisen einen minimalen Kompressionstotraum auf. Als Nachteile bei Scroll-Verdichtern ist allerdings die geringe Verdichtungsendtemperatur zu sehen, die bei einer eventuell zu hohen Temperatur mit Einspritzung von 10%–15% des Wärmemediums minimiert werden muss. Ein weiterer entscheidender Nachteil ist die sehr eingeschränkte Leistungsregelung (mit Ausnahme einiger japanischer Modelle). Scroll-Verdichter weisen geringe Druckschwingungen (Druckpulsation) auf.
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Diese Verdichterart (Scroll-Verdichter) benötigt eine Schmierung mit Öl. Dafür wird Polyvinyletheröl (PVE) oder Polyolesteröl (POE) eingesetzt. Das POE reagiert chemisch mit Wasser und bildet dabei eine Säure, was entsprechende Anforderungen an die Auswahl des Materials stellt, welches säureresistent sein muss. Somit wird die Haltbarkeit des Verdichters geringer und die Reparaturanfälligkeit höher.
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Ein weiterer Nachteil ist bei Scroll-Verdichtern in dem hohen Ölwurf zu sehen, da ein hoher Ölwurf gleichzeitig eine hohe Ölmenge im Verdichterkreislauf bedeutet. Zur Sicherung des Umweltschutzes ist eine Ölwanne erforderlich, die bei Außenaufstellung oder bei eventuell kalten Aufstellorten eine elektrische Bandheizung erfordert und somit auch einen weiteren Energieeinsatz für den Betrieb des Systems bedingt.
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Der Kondensator bzw. Verflüssiger ist typischerweise ebenfalls eine spezielle Anfertigung eines Wärmeübertragers, da auch in diesem eine Aggregatzustandsänderung stattfindet, hier von gasförmig zu flüssig.
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Bei der Nutzung als Wärmepumpe zur Beheizung erfolgt der Umweltwärmetransport vom Verdampfer bis zum Verdichter auf einem niedrigen Temperaturniveau im gasförmigen Zustand. Vom Verdichter bis zum Kondensator erfolgt der Wärmetransport auf einem hohem Energieniveau ebenfalls gasförmig. Vom Kondensator bis zum Expansionsventil erfolgt der Wärmetransport auf einem mittlerem Temperaturniveau im flüssigen Aggregatzustand. Vom Expansionsventil bis zum Verdampfer ist der Wärmeträger flüssig, auf einem sehr niedrigen Energieniveau.
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Bei der Nutzung als Klimaanlage zur Kühlung von Fahrzeugen erfolgt die Verdichtung des Wärmemediums in einem Kompressor, der über eine Kompressorkupplung direkt mit dem Fahrzeugmotor verbunden ist. Das Wärmemedium befindet sich nach der Verdichtung unter hohen Druck und ist gasförmig. Weiter strömt das gasförmige Wärmemedium zum Kondensator und wird dort mittels Fahrtwind und durch den Kondensatorlüfter abgekühlt. Jetzt ist das Wärmemedium unter hohem Druck, jedoch flüssig. Danach fließt das Wärmemedium in einen Filtertrockner und bleibt bis zum folgenden Expansionsventil unter hohem Druck flüssig. Im Expansionsventil wird das Wärmemedium entspannt und kühlt ab. Der Druck wird gering und das Wärmemedium ist weiterhin flüssig. Nun durchströmt das flüssige und kühle Wärmemedium den Verdampfer. Mittels eines Gebläses wird Luft durch den Verdampfer angesaugt und als kühle Luft in den Fahrgastraum eingeblasen. Durch die angesaugte warme Frischluft erwärmt sich das Wärmemedium im Verdampfer und wird unter geringem Druck wieder gasförmig. Jetzt strömt das gasförmige Wärmemedium unter geringem Druck durch das Expansionsventil wieder zum Kompressor. Dort wird es erneut verdichtet und der Kreislauf beginnt von neuem.
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Ein wichtiges Entscheidungskriterium für Wärmepumpen und Klimaanlagen ist der sog. COP-Wert (Coefficient of Performance; für Wärmepumpen), bzw. der sog. EER-Wert (Energy-Efficiency-Ratio; für Klimaanlagen). Dieser Wert errechnet sich aus erzeugter Wärmemenge geteilt durch eingesetzte Elektroenergie (für Verdichter, Steuerung, Regelung und interne Pumpen der Wärmepumpe bzw. der Klimaanlage) im Volllastbetrieb. Eine typische Größe des COP bzw. EER liegt zwischen 3 und 6;
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Ein weiteres wichtiges Beurteilungskriterium für Wärmepumpen ist die sog. JAZ (Jahresarbeitszahl). Diese errechnet sich aus tatsächlich abgegebener Wärmemenge geteilt durch tatsächliche zugeführte elektrische Energie (auch außerhalb der Wärmepumpe die für eine Beheizung benötigt wird). Typische Größen für die JAZ liegen zwischen 2,5 und 4.
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Ein weiteres Kriterium, der sog. ESEER-Wert (European Seasonal Energy Efficiency Ratio) berücksichtigt den Teillastbetrieb der Klimaanlage bzw. Wärmepumpe, denn ein Inverter-Klimagerät bzw. eine Wärmepumpe arbeiten fast ausschließlich im Teilastbetrieb.
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Hier anzusetzen und eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Temperieren eines Mediums anzugeben, welches die oben genannten Nachteile beseitigt und insbesondere eine hohe Energieeffizienz aufzeigt, ist Aufgabe der Erfindung. Dabei wird auch angestrebt, zumindest in einer vorteilhaften Weiterbildung eine Vorrichtung zum Temperieren eines Mediums anzugeben, welche zum Betreiben sowohl als Heizeinrichtung als auch zur Klimatisierung aufgebaut und eingerichtet ist. Nach Möglichkeit sollen mit der Erfindung die große Baugröße und das hohe Gewicht bekannter Vorrichtungen vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen einer solchen Vorrichtung sind in den Ansprüchen 2 bis 10 angegeben. Ein Verfahren gemäß der Erfindung ist im Anspruch 11 dargelegt. Vorteilhafte Weiterbildungen dazu finden sich in den Ansprüchen 12 bis 17.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Temperieren eines Mediums hat demnach folgende Komponenten:
- a. einen ersten geschlossenen Wärmemediumkreislauf, in dem ein erstes Wärmemedium zirkuliert, wobei das erste Wärmemedium so gewählt ist, dass es ohne Phasenübergänge in dem ersten Wärmemediumkreislauf zirkuliert;
- b. einen zweiten geschlossenen Wärmemediumkreislauf, in dem ein zweites, gasförmiges Wärmemedium zirkuliert, wobei das zweite, gasförmige Wärmemedium so gewählt ist, dass es ohne Phasenübergänge den zweiten Wärmemediumkreislauf durchströmt;
- c. einen ersten, in dem ersten Wärmemediumkreislauf angeordneten, Wärmeübertrager, in dem das erste Wärmemedium mit einem Umgebungsmedium in Wärmeaustausch gebracht werden kann;
- d. einen zweiten, in dem ersten Wärmemediumkreislauf angeordneten, Wärmeübertrager, in dem das erste Wärmemedium mit dem zu temperierenden Medium in Wärmeaustausch gebracht werden kann;
- e. ein in dem ersten Wärmemediumkreislauf angeordnetes erstes Fördermittel zum Bewegen des ersten Wärmemediums in dem ersten Wärmemediumkreislauf;
- f. einen in dem zweiten geschlossenen Wärmekreislauf angeordneten Verdichter zum Komprimieren des zweiten, gasförmigen Wärmemediums;
- g. einen dritten Wärmeübertrager, der in Strömungsrichtung des zweiten Wärmemediums gesehen hinter dem Verdichter und in Kontakt mit dem zweiten Wärmemediumkreislauf angeordnet ist und in Wärmeaustausch mit dem ersten Wärmemedium in dem ersten Wärmemediumkreislauf steht;
- h. ein Mittel zum Abkühlen und/oder Entspannen des ersten Wärmemediums in dem ersten Wärmemediumkreislauf.
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Eine Besonderheit dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, dass sie ohne jeglichen Verdampfer bzw. Kondensator (Verflüssiger) auskommt, statt dessen einfache Wärmeübertrager aufweist. Dieser Umstand ist dadurch ermöglicht, dass keines der verwendeten Wärmemedien, weder das erste Wärmemedium noch das zweite Wärmemedium, in dem Prozess einen Phasenübergang durchläuft.
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Der erste Wärmeübertrager, in dem das erste Wärmemedium mit einem Umgebungsmedium in Wärmeaustausch gebracht wird, kann einen Wärmeübertrag von zum Beispiel der Außenluft, von Erdwärme, von einer Flüssigkeit oder von einem Gas zu dem ersten Wärmemedium ermöglichen. Dieser erste Wärmeübertrager kann dementsprechend im Gegenstrom betrieben sein und zwei Ein- und Ausgänge, je einen für das jeweilige Wärmemedium, aufweisen. Bei dem ersten Wärmeübertrager kann es sich aber auch z.B. um einen Lamellenwärmeübertrager mit Lüfter für Fahrzeuge mit nur einem Ein- und einem Ausgang für ein einziges in einem Leitungssystem geführtes Wärmemedium handeln, um z.B. einen Wärmeaustausch zwischen einer Umweltwärme der Umgebungsluft und dem ersten Wärmemedium für die Beheizung und/oder Kühlung eines Fahrzeuginnenraums zu nutzen.
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Der zweite Wärmeübertrager kann wiederum ein solcher sein, der dem Austausch von Wärme zwischen dem ersten Wärmemedium und einer für die Klimatisierung genutzten Umgebungsluft, dient, aber auch ein solcher, der einen Wärmeaustausch zwischen dem ersten Wärmemedium und einem weiteren in einem Leitungssystem geführten Medium erbringt. So kann im letzteren Fall der zweiten Wärmeübertrager wiederum als Gegenstrom-Wärmeübertrager mit je zwei Einund zwei Ausgängen für die beiden in Leitungssystemen geführten Medien sein, bzw. im ersteren Fall wiederum ein Lamellenwärmeübertrager mit Gebläse z.B. für Fahrzeuge (mit nur je einem Ein- und Ausgang für das erste Wärmemedium) zum direkten Austausch von Wärme mit in den Fahrzeuginnenraum strömender Luft.
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In einem zweiten Wärmemediumkreislauf sitzt ein Verdichter, insbesondere ein Turboverdichteter, vorzugsweise ein Mikro-Turboverdichter, der das zweite Wärmemedium, welches gasförmig diesen Kreislauf durchströmt, komprimiert und dabei entsprechend erwärmt. Dieser Verdichter wird betrieben, wenn die Vorrichtung zum Heizen bzw. zum Erwärmen des zu temperierenden Mediums eingesetzt wird. Dann kann dieser Verdichter insbesondere drehzahlgesteuert auf die Außentemperatur reagieren, wobei er durch Einstellen einer höheren Drehzahl ein höheres Druckverhältnis erzeugt und damit höhere Temperaturen des komprimierten zweiten Wärmemediums (bei Reduzierung der Drehzahl den umgekehrten Effekt) erzielt.
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In dem dritten Wärmeübertrager wird die durch den Verdichteter in dem zweiten Wärmemedium erzeugte Wärme auf das erste Wärmemedium überführt, wenn das System als Heizung betrieben wird. Im Falle der Verwendung der Vorrichtung für die Kühlung (s. dazu weiter unten) erfolgt im dritten Wärmeübertrager typischerweise, wenn dieser nicht durch entsprechende Ventile sogar ganz abgekoppelt ist, nur die Durchleitung des ersten Wärmemediums ohne weiteren Wärmeübertrag. Der Verdichter läuft in diesem Falle in der Regel nicht.
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Das Mittel zum Abkühlen und/oder Entspannen des ersten Wärmemediums in dem ersten Wärmemediumkreislauf sorgt für den Fall, dass die Vorrichtung im Heizmodus als Wärmepumpe betrieben wird, in bekannter Weise dafür, dass zurück strömendes erstes Wärmemedium weiter abgekühlt wird, so dass es auch bei niedriger Umgebungstemperatur Wärme aus der Umgebung aufnehmen und somit für die Heizung zur Verfügung stellen kann. In einem Betrieb der Vorrichtung für die Kühlung kann das Mittel zum Abkühlen eingesetzt werden, um eine eventuell weitere Absenkung der Temperatur des ersten Wärmemediums für einen verbesserten Kühleffekt im zweiten Wärmeübertrager zu erhalten.
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Dabei kann das Mittel zum Abkühlen mit Vorteil ein, insbesondere regelbares, Peltier-Element oder mehrere solche Peltier-Elemente sein. Ein solches Element kann unabhängig von einer Druckentspannung eine Kühlwirkung herbeiführen, was insbesondere für den Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Kühlen, also als Klimaanlage oder Kühlaggregat, von Vorteil ist.
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Als das erste Wärmemedium kann insbesondere eine Flüssigkeit verwendet werden, insbesondere eine solche, die bei Normaldruck jedenfalls im Temperaturbereich von –50°C bis +60°C flüssig ist. Da die erfindungsgemäße Vorrichtung ohne Phasenübergänge in dem ersten Wärmemedium arbeitet, ist sicherzustellen, dass dieses Medium im Bereich der entsprechenden Betriebstemperaturen eine einheitliche Phase hält. Ein flüssiges erstes Wärmemedium ist dabei einem gasförmigen vorzuziehen, da die Wärmespeicherkapazität deutlich höher ist. Selbstverständlich können auch solche Flüssigkeiten als erstes Wärmemedium verwendet werden, die noch eine größere Temperaturspanne aufweisen, innerhalb derer sie flüssig bleiben. So kann diese Temperaturspanne beispielsweise auch zwischen –60°C und +70°C liegen, auch noch darüber hinaus, beispielsweise zwischen –90°C (oder noch tiefer, zum Beispiel bis zu –135°C) und +75°C oder gar +125°C.
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Bei der Wahl des ersten Wärmemediums ist neben der Temperaturspanne, innerhalb derer es sicher die Phase hält, auch die Fähigkeit, Wärme, insbesondere auch bei tiefen Temperaturen, z.B. Umweltwärme auch noch bei Minusgraden, auch im tieferen negativen Bereich, aufzunehmen und zu speichern (Wärmekapazität) ebenso wie die Fähigkeit, Wärme schnell aufzunehmen bzw. abzugeben zu berücksichtigen. Als geeignet hat sich in dieser Hinsicht erwiesen, wenn als erstes Wärmemedium ein Hydrofluorether verwendet wird. Hydrofluorether sind chemischen Verbindungen der Summenformel CxFy-O-CmHn, wobei x für eine Zahl von 1 bis 12 steht; y für eine Zahl von 0 bis 25 steht; m für eine Zahl von 1 bis 12 steht und n für eine Zahl von 0 bis 25 steht. Die entsprechenden Verbindungen sind aus unterschiedlich langen Ketten von vollfluorierten Carbonen, die über eine Ether-Gruppe mit einem Alkylrest verbunden sind, gebildet. Ein Beispiel für einen besonders geeignetes Hydrofluorether, das als erstes Wärmemedium verwendet werden kann, ist Ethoxynonafluorbutan (C4F9OC2H5) zu nennen. Hierbei handelt es sich um eine klare, farblose Flüssigkeit mit einem Stockpunkt (bei Normaldruck) von –138°C und einen Siedepunkt (bei Normaldruck) von 76°C. Dieses Material kann in einer für den Einsatz als erstes Wärmemedium in der erfindungsgemäßen Vorrichtung gut verwendbaren Qualität zum Beispiel von der 3M Deutschland GmbH unter der Handelsbezeichnung 3MTM NovecTM 7200 High-Tech Flüssigkeit bezogen werden.
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Die hier beanspruchte Stoffgruppe ist nicht klimaschädlich, so dass deren Einsatz nicht nur hoch effizient aus technologischer Sicht, sondern auch unter ökologischen Gesichtspunkten unbedenklich ist.
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Das zweite, gasförmige Wärmemedium kann prinzipiell ganz unterschiedliche Formen annehmen, wobei hier Luft als sehr geeignet angesehen wird. Denn mit Luft als zweites Wärmemedium werden ausreichende Temperierungseffekte erreicht, dieses Medium steht überall gleichermaßen „kostenfrei“ zur Verfügung, so dass die Verwendung von Luft hier keine weiteren Kosten in der Produktion und im Betrieb bedeutet. Zudem ergeben sich keine möglichen Umweltprobleme, die für die Verwendung eines anderen Mediums gegebenenfalls auftreten könnten, insbesondere wenn dieses aus einem geschlossenen Kreislauf austritt.
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In der Vorrichtung kann mit Vorteil ein vierter Wärmeübertrager vorgesehen sein, der in den zweiten Wärmemediumkreislauf integriert ist und dort in Durchströmungsrichtung gesehen vor dem Verdichter angeordnet ist und der mit dem in dem ersten Wärme Medium Kreislauf geführten ersten Wärmemedium in Wärmeaustauschverbindung steht.
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In diesem Wärmeübertrager wird bereits ein erster Wärmeübertrag zwischen dem zweiten Wärmemedium und dem ersten Wärmemedium erreicht, bevor das zweite Wärmemedium durch die Kompression erhitzt wird. Insoweit trägt dieser weitere Wärmeübertrager zu einer Erhöhung der Effizienz im Heizbetrieb der Vorrichtung bei. Soll die Vorrichtung zum Kühlen eingesetzt werden, hat dieser vierte Wärmeübertrager keine Funktion, kann gegebenenfalls auch mit entsprechenden Ventilen und Leitungsabschnitten überbrückt werden.
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Mit Vorteil kann dieser vierte Wärmeübertrager drei untereinander im Wärmeaustausch stehende, getrennte Leitungsstränge aufweisen, von denen ein erster Leitungsstrang zu dem zweiten Wärmemediumkreislauf, ein zweiter Leitungsstrang zu einem ersten Abschnitt des ersten Wärmemediumkreislaufs und ein dritter Leitungsstrang zu einem zweiten Abschnitt des ersten Wärmemediumkreislaufs gehört. In dieser Ausgestaltung weist also der vierte Wärmeübertrager je drei Einund Ausgänge auf und nutzt – im Heizungsbetrieb – zusätzlich die Abwärme aus dem Rücklauf des ersten Wärmemediums für die Vorerwärmung des ersten Wärmemediums, nachdem das erste Wärmemedium in dem ersten Wärmetauscher Umweltwärme aufgenommen hat und bevor es in dem dritten Wärmeübertrager durch die nach dem Verdichter in dem zweiten Wärmemediumkreislauf erzeugte Kompressionswärme weiter erwärmt wird. Dabei dient der vierte Wärmeübertrager auch der Abkühlung des zweiten Wärmemediums im zweiten Wärmemediumkreislauf.
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Insbesondere dann, wenn ein weiteres Reduzieren des Druckes im ersten Wärmemediumkreislauf erforderlich ist, dies zudem zu einer weiteren Abkühlung des ersten Wärmemediums auf der Strecke der Rückführung hin zu dem ersten Wärmeübertrager beiträgt, kann in dem zweiten Abschnitt des ersten Wärmemediumkreislaufs ein, insbesondere regelbares, Expansionsventil angeordnet sein.
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Bei dem ersten Fördermittel zum Bewegen des ersten Wärmemedium kann es sich insbesondere um eine Umwälzpumpe handeln, die insbesondere steuerbar ausgeführt sein kann.
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Das erste Fördermittel, beispielsweise eine Umwälzpumpe, kann insbesondere in seiner Förderrichtung umkehrbar gestaltet sein, um so das erste Wärmemedium in zwei Richtungen, einem Rechtslauf und einem Linkslauf durch den geschlossenen ersten Wärmemediumkreislauf fördern bzw. bewegen bzw. treiben zu können. Dieser Umstand der Möglichkeit eines wahlweise einzunehmenden Rechtslaufes bzw. Linkslaufes ist insbesondere für die Option eines wahlweisen Betriebes der Vorrichtung als Heizvorrichtung (Wärmepumpe) bzw. als Kühlvorrichtung (Klimaanlage, Kühlaggregat) von Bedeutung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Temperieren eines Mediums zeichnet sich entsprechend dadurch aus, dass ein erstes Wärmemedium in einem ersten geschlossenen Wärmemediumkreislauf geführt und darin von einem ersten Fördermittel in Zirkulation gehalten wird, um Wärme aufzunehmen und abzugeben, wobei das erste Wärmemedium in dem ersten Wärmemediumkreislauf durch einen ersten Wärmeübertrager geführt wird zum Austausch von Wärme mit einem Umgebungsmedium. Ferner wird das erste Wärmemedium durch einen zweiten Wärmeübertrager geführt zum Austausch von Wärme mit dem zu temperierenden Medium, wobei das erste Wärmemedium in dem ersten Wärmemediumkreislauf geführt wird, ohne in dem ersten Wärmemediumkreislauf Phasenübergänge zu durchlaufen. Für ein Erwärmen des zu temperierenden Mediums wird dabei das erste Wärmemedium von dem Fördermittel durch den ersten Wärmeübertrager geführt, um dort Wärme aufzunehmen. Nach Durchströmen des ersten Wärmeübertragers wird das erste Wärmemedium durch einen dritten Wärmeübertrager geführt, der in einem zweiten geschlossenen Wärmemediumkreislauf eingebunden ist, in dem ein zweites, gasförmiges Wärmemedium ohne Phasenübergänge im Kreis geführt ist. In dem zweiten Wärmemediumkreislauf ist dabei ein Verdichter angeordnet, der in Strömungsrichtung des zweiten Wärmemediums gesehen vor dem dritten Wärmeübertrager angeordnet ist und das zweite Wärmemedium komprimiert und erwärmt. Das erste Wärmemedium nimmt dann in dem dritten Wärmeübertrager Wärme von dem zweiten Wärmemedium auf und wird nach Durchlaufen des dritten Wärmeübertragers durch den zweiten Wärmeübertrager geführt. Dort gibt das erste Wärmemedium Wärme an das zu temperierenden Medium ab. Schließlich wird das erste Wärmemedium nach dem Durchströmen des zweiten Wärmeübertragers entspannt und/oder abgekühlt und zu dem ersten Wärmeübertrager zurückgeführt.
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Dieses Verfahren kann, und wird vorzugsweise – in einer Vorrichtung durchgeführt werden, wie sie vorstehend beschrieben und erläutert ist. In der oben beschriebenen Verfahrensführung arbeitet die Vorrichtung als Wärmepumpe, wird also ein Verfahren zum Erwärmen eines Nutzmediums betrieben.
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Mit Vorteil kann das erste Wärmemedium nach dem Durchströmen des zweiten Wärmeübertragers und vor dem erneuten Durchströmen des ersten Wärmeübertragers durch einen vierten Wärmeübertrager geführt werden, der in den zweiten Wärmemediumkreislauf eingebunden ist und der von dem zweiten Wärmemedium durchströmt wird, bevor dieses durch den Verdichter komprimiert wird. Durch diesen vierten Wärmeübertrager wird zudem das erste Wärmemedium in einem weiteren Abschnitt des ersten Wärmemediumkreislaufs geführt, und zwar nach dem Durchströmen des ersten Wärmeübertragers und vor dem Durchströmen des dritten Wärmeübertragers. Dabei wird in diesem weiteren Abschnitt des ersten Wärmemediumkreislaufs in diesem vierten Wärmeübertrager Wärme sowohl von dem zweiten Wärmemedium (vor dem Verdichten) als auch von dem in dem Abschnitt zwischen dem zweiten Wärmeübertrager und dem ersten Wärmeübertrager in Richtung des ersten Wärmeübertragers rückgeführten ersten Wärmemedium aufgenommen. Diese Gestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erhöht die Effizienz des Verfahrens bzw. der so betriebenen Vorrichtung, wenn diese als Wärmepumpe genutzt wird, da so die ansonsten nutzlos abgeführte Restwärme noch dem Wirkungskreislauf zugeführt wird.
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Bei der wie vorstehend beschriebenen besonderen Ausgestaltung kann zudem das erste Wärmemedium zwischen dem Verlassen des vierten Wärmeübertragers und vor der erneuten Zuführung zu dem ersten Wärmeübertrager entspannt und/oder abgekühlt werden. Dies kann zum Beispiel mit Hilfe von Peltier-Elementen geschehen, aber auch zum Beispiel unter Verwendung eines Expansionsventils in der oder in Kontakt mit der entsprechenden Leitung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann nun aber auch wahlweise nicht für eine Heizung, also zum Betrieb der Vorrichtung nach Art einer Wärmepumpe, verwendet werden, sondern auch für die Kühlung des zu temperierenden Mediums eingesetzt werden. Dabei wird dann die Förderrichtung des Fördermittels und damit die Strömungsrichtung des ersten Wärmemediums umgekehrt, wobei zugleich der zweite Wärmemediumkreislauf unterbrochen und/oder insoweit abgekoppelt wird, dass ein Wärmeübertrag zwischen dem zweiten Wärmemedium und dem ersten Wärmemedium nicht mehr stattfindet. Dann wird das erste Wärmemedium durch den zweiten Wärmeübertrager geführt, um dort Wärme von dem zu temperierenden Medium aufzunehmen und dieses zu temperierende Medium somit abzukühlen. Anschließend durchströmt das erste Wärmemedium dann den dritten Wärmeübertrager, ohne dort einen weiteren Wärmeaustausch vorzunehmen, oder strömt an diesem vorbei, und strömt danach durch den ersten Wärmeübertrager, um dort Wärme an das Umweltmedium abzugeben. Anschließend wird das erste Wärmemedium zu dem zweiten Wärmeübertrager zur erneuten Aufnahme von Wärme aus dem zu temperierenden Medium zurückgeführt. Auch hier durchläuft das erste Wärmemedium diesen Kreislauf ohne Phasenübergänge.
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In dieser Verfahrensvariante ist eine Besonderheit des erfindungsgemäßen Verfahrens zu sehen, die sich auch als Besonderheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. einer Nutzung derselben abbildet. Denn hier kann ein und dieselbe Vorrichtung durch die beschriebene Umkehr der Förderrichtung des ersten Wärmemediums sowohl als Wärmepumpe für Heizungszwecke als auch zum Abkühlen eines Mediums, zum Beispiel als Klimaanlage oder Kühlaggregat, verwendet werden.
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Diese Gestaltungsform ist unter anderem von großem Interesse im Bereich der Automobilindustrie, wo eine solche Vorrichtung sowohl für das Beheizen als auch für das klimatisierende Kühlen eines Fahrgastraumes in einem Automobil verwendet werden kann. Insbesondere dort, wo zum Beispiel durch Verwendung hocheffizienter Verbrennungsmotoren freiwerdende Wärmeenergie nicht mehr in ausreichender Menge vorliegt, um den Fahrgastraum zu beheizen, oder auch im Falle von Elektrofahrzeugen, deren Antriebsform überhaupt keine nennenswerte Wärmeenergie mehr frei werden lässt und nutzbar macht, sind für den Betrieb des Fahrzeuges bei kalten Umgebungstemperaturen alternative Heizungsmöglichkeiten vorzusehen, für die eben die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignet sind, da sie neben einer Heizmöglichkeit durch die einfache Umkehr und Umgestaltung des Kreislaufs des ersten Wärmemediums auch eine Kühlmöglichkeit bieten. Diese Anwendung ist aber auch z.B. im Bereich der Klimatisierung (Beheizung / Kühlung) von Fahrgasträumen in Bahnwaggons und auch in anderen Verkehrsmitteln, Gebäuden und Räumen, Wohnmobilen und Wohncontainern oder in Maschinen und Anlagen gleichermaßen von großem Vorteil.
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Wird das Verfahren wie oben beschrieben zum Kühlen eingesetzt, so kann es – je nach Witterungsbedingungen und Außentemperatur und je nach gewünschter Temperatureinstellung für den zu kühlenden Bereich – erforderlich sein, mit einer aktiven Kühlung des ersten Wärmemediums einzugreifen, wozu das erste Wärmemedium in einem Abschnitt des ersten Wärmemediumkreislaufs in Durchströmungsrichtung nach dem ersten Wärmeübertrager und vor dem zweiten Wärmeübertrager aktiv gekühlt werden kann, zum Beispiel mithilfe eines Peltier-Elements oder mithilfe mehrere solcher Elemente. Bei den dann eingesetzten Peltierelementen, die mit elektrischer Energie betrieben werden, ergibt sich neben der zum Kühlen verwendeten kalten Seite auch eine warme Seite des Elements, an der Wärme abgeführt werden muss, um das Peltierelement weiter mit kühlendem Effekt betreiben zu können. Diese Wärme kann mit Vorteil an ein Umweltwärmemedium abgeführt und so der Umweltwärme zugeschlagen werden. Dazu kann z.B. mit einem Lüfter oder einfach über einen Strömungskanal (z.B. durch den Fahrtwind eines mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgestatteten Fahrzeuges beschickt) Luft zum Kühlen des Peltierelements auf seiner warmen Seite eingesetzt werden. Es kann aber auch ein weiterer Kreislauf mit einem Wärmemedium gebildet werden, das die Abwärme der Peltierelemente aufnimmt und seinerseits z.B. über eine Wärmeübertrager an ein Umweltmedium abgibt. Dieser Kreislauf kann auch direkt von einem solchen Umweltmedium durchströmt werden (z.B. Luft, aber auch einem mit Erdwärme verbundenen Wärmemedium.
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Im Rahmen des Verfahrens wird als erstes Wärmemedium bevorzugt ein solches eingesetzt, wie es vorstehend auch bereits für die Vorrichtung beschrieben worden ist, so dass bezüglich der bevorzugten Auswahl dieses ersten Wärmemediums auf die voranstehende Beschreibung Bezug genommen werden kann.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren sind vielfältig nutz- und anwendbar, so z.B. für die Gebäudebeheizung bzw. -kühlung, insbesondere für Wohn- und Nutzgebäude, als Heizungs- und Klimaanlage für die Automobilindustrie, für die Verkehr- und Logistikbranche, für Busse und Bahn, für den Maschinen- und Anlagenbau, aber auch für die Verwendung in Haushaltsgeräten.
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Weitere Vorteile und Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Figuren. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Temperieren eines Mediums in einer ersten möglichen Ausgestaltung der Erfindung und mit einer Veranschaulichung des Verfahrensablaufs;
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2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Temperieren eines Mediums in einer zweiten möglichen Ausgestaltung der Erfindung und mit einer Veranschaulichung des Verfahrensablaufs; und
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3 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts der Vorrichtung entsprechend der Darstellung in 2 mit der Veranschaulichung einer aktiven Kühlung der Peltierelemente.
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In den Figuren sind in im Grundsatz zwei zueinander leicht abgewandelten Ausgestaltungsformen mögliche Umsetzungen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Temperieren eines Mediums skizziert. Darüber hinaus ist in 3 eine weitere Abwandlung skizziert, die für beide in den vorhergehenden Figuren dargestellten grundsätzlichen Ausgestaltungsvarianten gewählt werden kann. Die Figuren enthalten dabei auch Darstellungen, die den Verfahrensablauf eines auf diesen Vorrichtungen zu betreibenden erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulichen.
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In 1 ist zunächst einmal ein erste Wärmeübertrager 1 gezeigt, bei dem es sich in dieser Ausgestaltungsvariante um einen Wärmeübertrager handelt, der einen Wärmeübertrag zwischen einem gasförmigen Umweltmedium und einem in einer Leitung 2 geführten zirkulierenden Wärmemedium besorgt. Das erste Wärmemedium wird dabei in einem ersten Kreislauf 3 geführt. Die Leitung 2 in dem Wärmeübertrager 1 ist verbunden mit einem Rohrleitungsstück 4, welches Teil einer Zuführleitung zu einem zweiten Wärmeübertrager 5 ist, welcher wiederum in einer Leitung 6 von dem ersten Wärmemedium durchströmt wird und dem Wärmeaustausch zwischen diesem ersten Wärmemedium und einem gasförmigen Medium dient.
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In der Zuführleitung ist ausgehend von dem ersten Wärmeübertrager 1 hinter dem Rohrleitungsstück 4 ein weiterer Wärmeübertrager 7 angeordnet, durch den das in dem Rohrleitungsstück 4 zugeführte Wärmemedium hindurchströmt und den das Wärmemedium über ein weiteres Rohrleitungsstück 8 wieder verlässt. Der Wärmeübertrager 7 kann dabei auch in umgekehrter Richtung durchströmt werden, wie dies später noch erläutert werden wird. Das Rohrleitungsstück 8 ist dann mit einem weiteren Wärmeübertrager 9 verbunden, durch den das Wärmemedium hindurchströmt bis zu einem sich anschließenden Rohrleitungsstück 10, welches dann in den zweiten Wärmeübertrager 5 mündet, mit der Leitung 6 in diesem Wärmeübertrager 5 verbunden ist. Ein weiteres Rohrleitungsstück 11 ist auf einer gegenüberliegenden Seite mit dem Wärmeübertrager 5, genauer mit der Leitung 6, verbunden und führt zu einer Umwälzpumpe 12. In einem sich an die Umwälzpumpe 12 anschließenden Rohrleitungsstück 13 sind zwei schaltbare 3-Wege-Ventile 14, 15 angeordnet. Diese erlauben in getrennten Schaltstellungen entweder eine Führung des Stroms des ersten Wärmemediums über eine Zuleitung 16 durch den Wärmeübertrager 7 und zurück über eine Ableitung 17, in der ein regelbares Expansionsventil 18 vorgesehen ist, zu dem Rohrleitungsstück 13 oder unter Umgehung dieser Schlaufe durch den Wärmeübertrager 7 direkt weiter in dem Rohrleitungsstück 13. Gesehen von der Umwälzpumpe 12 jenseits der 3-Wege-Ventile 14, 15 ist wenigstens ein regelbares Peltierelement 19 angeordnet, es können auch mehrere derartige Elemente vorgesehen sein. Das Rohrleitungsstück 13 mündet dann wieder in der Leitung 2 des Wärmeübertragers 1 und schließt so den Kreislauf 3.
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In der in 1 veranschaulichten Vorrichtung ist ein weiterer Kreislauf 20 realisiert, in welchem ein zweites Wärmemedium zirkuliert. Hierbei durchströmt das zweite Wärmemedium den Wärmeübertrager 7, gelangt dann in ein Rohrleitungsstück 21 und wird durch einen Turboverdichteter (insbesondere einen Mikro-Turboverdichter) 22 komprimiert, über ein Rohrleitungsstück 23 zu dem Wärmeübertrager 9 geführt und sodann über eine Rückleitung 24 zurück zu dem Wärmeübertrager 7.
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Die in der 1 gezeigte Vorrichtung kann nun in zwei Modi betrieben werden, nämlich einmal als Wärmepumpe, um ein durch den Wärmeübertrager 5 geführtes Nutzmedium zu erwärmen, ein andermal als Klimatisierungsvorrichtung (Klimaanlage) um einen durch den Wärmeübertrager 5 geführtes Nutzmedium abzukühlen.
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Nachfolgend wird zunächst die Verwendung als Wärmepumpe beschrieben, bei der die Umwälzpumpe 12 das erste Wärmemedium in dem Kreislauf 3 in der Darstellung der 1 im Uhrzeigersinn zirkulieren lässt.
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Die Betriebsrichtung der Wärmemedien in den Wärmemediumskreisläufen 3 und 20 ist mit den gefüllten Pfeilen im ersten Kreislauf 3 und mit den mit gestrichelten Linien umrissen Pfeilen im zweiten Kreislauf 20 veranschaulicht.
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Bei diesem Betrieb wird in dem ersten Wärmeübertrager 1 Umweltwärme (z.B. aus Außen- oder Abluft) auf das erste Wärmemedium übertragen, wenn dieses die Leitung 2 passiert. Der erste Wärmeübertrager 1 kann dabei insbesondere ein Lamellenwärmeübertrager mit Lüfter 25 sein.
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Das erste Wärmemedium wird durch die Umwälzpumpe 12 im Uhrzeigersinn in dem in sich geschlossenen Wärmemediumskreislauf 3 transportiert und bringt die aufgenommene Umweltwärme zum Wärmeübertrager 7.
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In dem Wärmeübertrager 7 wird das erste Wärmemedium durch die Abwärme, die aus dem Rücklauf vom Wärmeübertrager 5 stammt, sowie durch die Abkühlung des zweiten Wärmemediums aus dem zweiten Kreislauf 20, in seinem Temperaturniveau erhöht. In der Praxis kann hier z.B. eine Erhöhung des Temperaturniveaus auf ca. 30°C stattfinden, wenn die Temperatur des zweiten Wärmemediums im Rücklauf auf ca. 30° heruntergekühlt wird. Die 3-Wege-Ventile 14, 15 befinden sich dafür entsprechend jeweils in einer Schaltstellung, in der die Zuleitung 16 und die Ableitung 17 mit in den Kreislauf 3 eingebunden sind.
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Das (z.B. auf ca. 30°C) abgekühlte zweite Wärmemedium wird in dem in sich geschlossenen zweiten Kreislauf 20 in einem diabatischen Prozess durch den drehzahlgesteuerten Turboverdichter 22, bei dem es sich insbesondere um einen Mikro-Turboverdichter handeln kann, angesaugt, verdichtet und wieder auf ein hohes Temperaturniveau gebracht, ihm wird sog. Verdichtungswärme aufgeprägt.
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Das so erhitzte zweite Wärmemedium trifft im Wärmeübertrager 9 wieder auf das erste Wärmemedium, welches in dem Rohrleitungsstück 8 um den Turboverdichter herumgeleitet wird, und erwärmt das erste Wärmemedium auf eine nutzbare Temperatur.
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Das erwärmte erste Wärmemedium strömt zum Wärmeübertrager 5, bei dem es sich in diesem Ausführungsbeispiel um einen Lamellen-Wärmeübertrager mit Gebläse 26 handeln kann. In diesem Wärmeübertrager 5 gibt das erste Wärmemedium diese Wärme an ein Nutzmedium, z.B. angesaugte Frischluft, ab.
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Das erste Wärmemedium kommt aus dem Wärmeübertrager 5 und fließt über das 3-Wege-Ventil 14 zur Nutzung der Abwärme zum Wärmeübertrager 7 die Temperatur des Rücklaufes kann beim Austritt aus dem Wärmeübertrager 7, z.B. ca. 10°C betragen.
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Das auf z.B. ca. 10°C abgekühlte erste Wärmemedium kommt dann über das 3-Wege-Ventil 15 zu den regelbaren Peltier-Elementen 19. Auf dem Weg dorthin kann durch das regelbare Expansionsventil 18 bereits eine Entspannung und Abkühlung des ersten Wärmemediums erreicht werden. An den Peltier-Elementen 19 wird durch den Peltier-Effekt die Temperatur des Wärmemediums auf ca. 10K unterhalb der Umweltwärme abgesenkt. Die bei der Kühlung auf der anderen Seite des Peltier-Elementes entstehende Wärme kann mit Vorteil auch zur Vorheizung der Umweltwärme dienen. So wird dann der energetische Einsatz bei den Peltier-Elementen 19 optimal ausgenutzt. Die Peltier-Elemente 19 sind regelbar und somit kann der gewünschte Temperaturbereich eingestellt werden.
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Nach der Abkühlung durch die regelbaren Peltier-Elemente 19 kommt das erste Wärmemedium wieder zum Wärmeübertrager 1. Der Kreislauf kann von neuem beginnen. Dabei ist wichtig zu erwähnen, dass während des gesamten Kreislaufs das erste Wärmemedium keinerlei Phasenübergänge durchläuft. Vielmehr handelt es sich bei dem ersten Wärmemedium um eine Flüssigkeit, die unter allen im Zuge des ersten Kreislaufs 3 auftretenden Bedingungen flüssig bleibt. Bei dem ersten Wärmemedium handelt es sich insbesondere um ein Hydrofluorether, z.B. um Ethoxynonafluorbutan (C4F9OC2H5).
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Auch das zweite Wärmemedium durchläuft keinen Phasenwechsel, sondern bleibt während des gesamten Durchlaufs des zweiten Kreislaufs 20 gasförmig.
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Wie bereits erwähnt, kann die nach dem in 1 gezeigte Schema aufgebaute Vorrichtung nicht nur als Wärmepumpe betrieben werden, sondern auch zum Abkühlen bzw. Klimatisieren eines Nutzmediums.
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Dabei wird die Vorrichtung wie folgt betrieben; dieser Betrieb ist durch die nicht ausgefüllten, mit durchgehender Linie umrissenen Pfeile in der Figur dargestellt.
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Beim Betrieb der Vorrichtung als Klimaanlage ist der zweite Kreislauf 20 außer Kraft gesetzt; der Turboverdichter 22 wird bei der Kühlung nicht benötigt und bleibt daher außer Betrieb.
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In einem solchen Betrieb der Vorrichtung als Klimaanlage ist das Umweltmedium (z.B. Außen- oder Abluft) vorzugsweise kälter als das erste Wärmemedium, so dass das erste Wärmemedium in dem Wärmeübertrager 1 Wärme auf das Umweltmedium übertragen wird. Die Vorrichtung funktioniert allerdings auch dann, wenn das Umweltmedium wärmer ist als das erste Wärmemedium, wenn dieses den Wärmeübertrager 1 in der Leitung 2 durchströmt.
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Nach der Aufnahme von Umweltwärme oder der Abgabe von Wärme an das Umweltmedium durch das Wärmemedium strömt dieses zu einer eventuell erforderlichen weiteren Abkühlung durch die regelbaren Peltier-Elemente 19. Dies geschieht durch die Umwälzpumpe 12, die den ersten Kreislauf 3 nun von dem ersten Wärmemedium in umgekehrter Richtung durchströmen lässt. Hierzu ist die Umwälzpumpe 12 in ihrer Förderrichtung umkehrbar gestaltet. Das erste Wärmemedium wird durch die Umwälzpumpe 12 hier also in der Darstellung der Figur gegen den Uhrzeigersinn in dem Kreislauf 3 transportiert.
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Eine Steuerung regelt den Energieeinsatz der Peltier-Elemente 19 vorzugsweise so, dass eine Differenz zwischen der Temperatur des Umweltmediums und der Temperatur des ersten Wärmemediums z.B. ca. 10 K beträgt.
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Nach der Temperaturabsenkung strömt das erste Wärmemedium durch die beiden 3-Wege-Ventile 14, 15, die so geschaltet sind, dass das Wärmemedium direkt weitergeleitet wird in das Rohrleitungsstück 11, ohne dabei zu dem Wärmeübertrager 7 zu gelangen. Das erste Wärmemedium gelangt also unmittelbar zum Wärmeübertrager 5.
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In diesem Wärmeübertrager 5 nimmt das Wärmemedium Wärme aus dem Nutzmedium auf und kühlt dieses dabei ab. Dieses Nutzmedium kann in der Vorrichtung nach 1 insbesondere angesaugte und abgekühlte Frischluft sein, die dann wieder in zu klimatisierende Räume, z.B. die Fahrgastzelle eines Fahrzeugs gelangt.
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Das erste Wärmemedium tritt mit einer höheren Temperatur aus dem Wärmeübertrager 5 aus, als es in diesen Wärmeübertrager 5 eingetreten ist, und strömt zum Wärmeübertrager 9. Durch diesen Wärmeübertrager 9 und weiter zum Wärmeübertrager 7 strömt das erste Wärmemedium ohne weiteren Wärmetausch. Dabei wird das erste Wärmemedium in dem Rohrleitungsstück 8 um den Turbo-Verdichter 22 herumgeleitet.
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Jetzt strömt das erste Wärmemedium wieder durch den Wärmeübertrager 1 hindurch und gibt dort, sofern es auf einem höheren Temperaturniveau befindlich ist als die Umgebungstemperatur, Wärme ab, beginnt dann den Kreislauf von neuem.
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Dabei ist es auch möglich eine weitere Rohrleitungsstrecke vorzusehen, die insbesondere über Ventile alternativ geschaltet werden kann, in der das erste Wärmemedium direkt vom Wärmeübertrager 5 zum Wärmeübertrager 1 gelangt, und dabei die Wärmeübertrager 7 und 9 umgeht, die in dieser Betriebsart ohnedies keinen funktionellen Beitrag zum Kühlverfahren leisten.
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In 2 ist eine im Prinzip identisch aufgebaute Vorrichtung skizziert, die nach dem gleichartigen Prinzip arbeitet, so dass insoweit auf die vorstehende Beschreibung Bezug genommen werden kann. Der einzige Unterschied der Darstellung in 2 zu derjenigen in 1 besteht darin, dass die in 1 dargestellten Wärmeübertrager 1 und 5 in dem Aufbau gemäß 2 durch Wärmeübertrager 1‘ und 5‘ ersetzt worden sind wobei es sich bei den Wärmeübertragern 1‘ und 5‘ nun um solche handelt, die eingangs- bzw. ausgangsseitig ebenfalls an ein Leitungssystem angeschlossen sind und nicht etwa als Lamellen von Luft frei durchströmt werden. Selbstverständlich kann jedenfalls eines der Leitungssysteme in diesem Wärmetauscher auch von einem gasförmigen Medium, z.B. Luft durchströmt sein, insbesondere die Leitung 27 bzw. der Leitungsabschnitt 28. In einer solchen Ausgestaltung eignet sich die Vorrichtung beispielsweise zum Beheizen von Wohnräumen, indem zum Beispiel ein Medium zum Zutransport von Erdwärme dem Wärmeübertrager 1‘ in einer Leitung 27 zugeführt wird und mit dem Wärmeübertrager 5‘ ein Heizmedium, zum Beispiel Wasser in einem Leitungsabschnitt 28 eines Heizungskreislaufs, erwärmt wird. Bei wie oben beschriebenen umgekehrten Betrieb kann hier auch für eine Klimatisierung (Kühlung) von Wohnräumen gesorgt werden.
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In 3 ist schließlich durch Darstellung eines Ausschnittes bzw. eines Teilabschnittes der Veranschaulichung gemäß 2 eine Variante gezeigt, in der – im Falle der Verwendung der Vorrichtung zur Klimatisierung (Kühlung) – die Peltierelemente 19 auf ihrer wärmeabgebenden Seite aktiv gekühlt werden. Eine solche aktive Kühlung kann insbesondere dann, wenn die Umgebungstemperatur besonders hoch ist, erforderlich sein. Wird die Vorrichtung beispielsweise im Rahmen eines Fahrzeuges eingesetzt, so mag der Fahrtwind genügen, die von den Peltierelementen jeweils in an ihrem wärmeabgebenden Teil freigesetzte Wärme abzuführen. Schwieriger kann dies schon bei stationären Systemen werden.
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Hierfür kann zunächst ein Lüfter 29 vorgesehen sein. Sofern das Vorsehen eines solchen Lüfters 29 genügt, das oder die Peltierelement(e) an den wärmeabgebenden Seiten ausreichend zu kühlen, sind keine weiteren Kühlmaßnahmen erforderlich. Genügt die Zufuhr von Frischluft mittels des Lüfters 29 allein nicht, so kann zusätzlich oder kann alternativ ein weiterer Kühlmechanismus vorgesehen sein, z.B. ein solcher, wie er in der 3 skizziert ist.
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Dort ist eine Kühlung mithilfe eines Wärmemediums vorgesehen, wobei in dieser Ausgestaltung das erste Wärmemedium aus dem Wärmemediumkreislauf 3 eingesetzt wird.
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In einer Vorlaufleitung 30 strömendes Wärmemedium nimmt Abwärme von dem oder den Peltierelement(en) 19 auf. Eine Umwälzpumpe 31 fördert dann das Wärmemediumg in Richtung eines 3-Wege-Ventils 32 .Das 3-Wege-Ventil 32 ist mit der Zuleitung 16 verbindbar. Wenn das 3-Wege-Ventil 32 im Kühlmodus der Vorrichtung mit der Zuleitung 16 verbunden ist, so ist diese Zuleitung 16 mittels des 3-Wege-Ventils 14 von der durch die Rohrleitungsstücke 11 und 13 gebildeten Leitung getrennt. Dadurch wird das erste Wärmemedium nach Durchströmen des 3-Wege-Ventils 32 weitergeleitet über die Zuleitung 16 hin zu einem weiteren 3-Wege-Ventil 33. Dieses riegelt in diesem Betriebsmodus die Zuleitung 16 von dem Wärmeübertrager 7 ab und überführt den Strom des ersten Wärmemediums stattdessen in eine Kurzschlussleitung 34. Diese ist mit einem weiteren 3-Wege-Ventil 35 verbunden, das an die Ableitung 17 angebunden ist. In diesem Betriebsmodus riegelt das 3-Wege-Ventil 35 die Ableitung 17 von dem Wärmetauscher 7 ab und leitet das erste Wärmemedium hin zu dem Expansionsventil 18. Dort wird das erste Wärmemedium entspannt und dadurch abgekühlt. Über ein weiteres, dem Expansionsventil 18 nachgeschaltetes 3-Wege-Ventil 36, das die Ableitung 17 in diesem Betriebsmodus von dem 3-Wege-Ventil 15 abriegelt, gerät das so abgekühlte und druckentspannte Wärmemedium dann in eine an das 3-Wege-Ventil 36 angeschlossene Rücklaufleitung 37 und von dort wieder zu den Peltierelementen 19, wo es erneut Abwärme aufnimmt, um dann wieder in die Vorlaufleitung 30 zu gelangen. Dieser Kreislauf wird durch Beschaltung der entsprechenden 3-Wege-Ventile 32, 33, 35 und 36 durch eine Steuerung dann aktiviert, wenn die Vorrichtung im Kühlmodus arbeitet und dabei eine aktive Kühlung der Peltierelemente 19 erforderlich ist.
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Selbstverständlich kann, wie der Fachmann ohne weiteres erkennt, eine entsprechende Leitungs- und Ventilanordnung und -beschaltung auch bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung umgesetzt werden.
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Auch ist es möglich, eine wie oben beschriebene aktive Kühlung des / der Peltierelemente(s) 19 auch im Wärmepumpenbetrieb zu betreiben, wenn z.B. das erste Wärmemedium besonders weit heruntergekühlt werden muss, um in dem Wärmetauscher 1 bzw. 1‘ Umweltwärme auf einem niedrigen Temperaturniveau aufnehmen zu können. In einem solchen Fall wird dann typischerweise die Kurzschlussleitung 34 nicht genutzt, können die 3-Wege-Ventile 33 und 35 so geschaltet sein, dass der Wärmeübertrager 7 in dem Kreislauf eingebunden bleibt. Zudem sind in einer solchen Beschaltung auch die 3-Wege-Ventile 14 und 15 so geschaltet, dass sie die Zuleitung 16 und die Ableitung 17 mit einbeziehen. Die 3-Wege-Ventile 32 und 36 sind dann so geschaltet, dass sie sowohl eine Verbindung zu den 3-Wege-Ventilen 14 bzw. 15 öffnen als auch die Verbindung in Richtung der Umwälzpumpe 31 bzw. der Rücklaufleitung 37. Das 3-Wege-Ventil 32 muss zudem ein Rückschlagventil aufweisen, damit nicht aus der Zuleitung 16 von dem 3-Wege-Ventil 14 her mittels der Umwälzpumpe 12 eingedrücktes erstes Wärmefluid in der dem vorgesehenen Umlaufsinn entgegengesetzten Richtung in das 3-Wege-Ventil 32 einströmen kann.
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Auch hier sind in der 3 für den ersten Kühlmediumskreislauf 3 mit Pfeilen die Strömungsrichtungen und -verläufe des ersten Kühlmediums für den Fall des Betriebs als Heizung (Wärmepumpe) bzw. als Kühlung (für die Klimatisierung) angezeigt, wie aus der in der Figur angeordneten Legende ersichtlich.
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Eine Besonderheit der Erfindung besteht in der Auswahl des ersten Wärmemediums. Wie bereits erwähnt ist dieses vorzugsweise ein Hydrofluorether (eine chemische Verbindung der Summenformel CxFy-O-CmHn, wobei x für eine Zahl von 1 bis 12 steht; y für eine Zahl von 0 bis 25 steht; m für eine Zahl von 1 bis 12 steht und n für eine Zahl von 0 bis 25 steht). Derartige Verbindungen liegen bei Normalbedingungen als Flüssigkeit vor. Sie haben typischerweise ihren Stockpunkt erst im Temperaturbereich von –38°C bis –138°C, und der Siedepunkt befindet sich zwischen 34°C und 128°C. Zwischen Stockpunkt und Siedepunkt sind diese Verbindungen flüssig. Die Dichten dieser Flüssigkeiten liegen deutlich höher als die von bekannten und entsprechenden Vorrichtungen verwendeten Wärmemedien. Dieses Medium ist darüber hinaus elektrisch nicht leitend, so dass es in der oben beschriebenen Weise als Kühlmedium zum Kühlen der mit elektrischer Spannung beaufschlagten Peltierelemente 19 dienen kann, ohne dabei zu einem Kurzschluss oder dergleichen zu führen.
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Auch liegt das Erderwärmungspotential (GWP) entsprechender Verbindungen sehr deutlich, nämlich zwischen 5 Tagen und 4,9 Jahren, unterhalb des GWP von bisher verwendeten Wärmemedien. Hydrofluorether sind mit vielen Metallen, Kunststoffen und Elastomeren verträglich und lassen so den Einsatz von kostengünstigeren und kleineren Komponenten bei der Umsetzung von mit diesen Medien betriebenen Vorrichtungen zu.
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Anders als die bisher üblichen verwendeten Wärmemedien sind Hydrofluorether keine Gefahrengüter und müssen entsprechend beim Transport, bei der Montage, der Reparatur bzw. dem Service, der Demontage sowie bei Unfällen nicht entsprechend der Gesetzgebung besonders behandelt werden. Sie sind vielmehr entsprechend einfacher, umweltschonender und risikoloser händel- und einsetzbar.
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Auch sind Hydrofluorether nicht elektrisch leitend, nicht brenn- und entflammbar und somit auch dort einsetzbar, wo bei einem Unfall das Risiko eines Brandes besteht, Kurzschlüsse im elektrischen System möglich wären oder Umweltgefährdungen entstehen können.
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In dem zweiten Wärmemediumskreislauf kann ein ungefährliches, gasförmiges Wärmemedium, zum Beispiel Luft, verwendet werden.
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Der Turboverdichter in dem zweiten Wärmemediumskreislauf kann mit einem Druck von nur bis zu 4 bar arbeiten und dennoch bereits eine ausreichende Erwärmung des zweiten Wärmemedium erreichen. Durch den vergleichsweise geringen Druck verringert sich erheblich die Gefahr von Unfällen, Leckagen und Umweltgefährdungen.
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In dem zweiten Wärmemediumgskreislauf ist nur ein geringes Volumen des zweiten Wärmemediums erforderlich. Weiterhin gibt es dort nur einen geringen Druck und dazu auch ein vorgewärmtes zweites Wärmemedium vor Eintritt in den Turboverdichter, so dass die erforderliche elektrische Leistung im Wärmepumpenbetrieb der Vorrichtung sehr gering ist. Eine weitere Verringerung der erforderlichen elektrischen Leistung kann sogar noch erreicht werden, wenn der Turboverdichter mit einer Gas- oder Magnetlagerung ausgestattet ist.
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Vorteile der Turboverdichter, insbesondere der bevorzugt verwendeten Mikro-Turboverdichter, sind u.a., dass nur sehr geringe mechanische Verluste auftreten und so eine sehr hohe Effizienz erreicht wird. Turboverdichter weisen eine sehr gute Leistungsregulierbarkeit auf. Mit ihnen kann ein sehr großes Leistungsspektrum abgedeckt werden. Im Gegensatz zu den in bekannten Vorrichtungen üblichen Scroll-Verdichtern zeichnen sich die Turboverdichter dadurch aus, dass es keine Druckpulsation gibt. Die Verwendung eines Schmiermittels, wie Öl bei den Scroll-Verdichtern, entfällt ebenfalls bei den Turboverdichtern. Sie weisen – insbesondere als Mikro-Turboverdichter – sehr geringe Baugrößenabmessungen auf. Z.B. hat ein 5.000 W Mikro-Turboverdichter die Abmessungen: Länge 25,4 cm, Durchmesser 8,0 c. Zum Vergleich: Ein Scroll-Verdichter gleicher Leistung hat die Abmessungen: Länge 60,0 cm und Durchmesser 40,0 cm. Dadurch sind die Turboverdichter im Vergleich zu den bisher üblichen Scroll-Verdichtern auch sehr leicht. Turboverdichter sind quasi wartungsfrei und haben dadurch extrem geringe Betriebskosten. Die Lebensdauer dieser Verdichter ist um ein vielfaches höher, als die von Scroll-Verdichtern.
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Micro-Turboverdichter können den Nachteil haben, dass durch die sehr hohen Drehzahlen der Impellerwelle (bis zu 500.000 U/min in der Spitzenlast, im Normalfall zwischen 80.000 U/min bis 180.000 U/min) es zu Geräuschen kommen kann, die allerdings beherrschbar sind.
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Aufgrund des neuen Verfahrens und Einsatz der geänderten Bauteile und Komponenten wird eine signifikante Steigerung des COP und der JAZ erreicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1‘
- Wärmeübertrager
- 2
- Leitung
- 3
- erster Kreislauf
- 4
- Rohrleitungsstück
- 5, 5‘
- Wärmeübertrager
- 6
- Leitung
- 7
- Wärmeübertrager
- 8
- Rohrleitungsstück
- 9
- Wärmeübertrager
- 10
- Rohrleitungsstück
- 11
- Rohrleitungsstück
- 12
- Umwälzpumpe
- 13
- Rohrleitungsstück
- 14
- 3-Wege-Ventil
- 15
- 3-Wege-Ventil
- 16
- Zuleitung
- 17
- Ableitung
- 18
- Expansionsventil
- 19
- Peltierelement
- 20
- zweiter Kreislauf
- 21
- Rohrleitungsstück
- 22
- Turboverdichter
- 23
- Rohrleitungsstück
- 24
- Rückleitung
- 25
- Lüfter
- 26
- Gebläse
- 27
- Leitung
- 28
- Leitungsabschnitt
- 29
- Lüfter
- 30
- Vorlaufleitung 3-Wege-Ventil
- 31
- Umwälzpumpe
- 32
- 3-Wege-Ventil
- 33
- 3-Wege-Ventil
- 34
- Kurzschlussleitung
- 35
- 3-Wege-Ventil
- 36
- 3-Wege-Ventil
- 37
- Rücklaufleitung 3-Wege-Ventil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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