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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungsanlage mit einem geschlossenen Übertragungskreislauf, in welchem ein erstes Wärmeträgermittel aufgenommen ist, wobei der geschlossene Übertragungskreislauf einen Verdichter zum Komprimieren des ersten Wärmeträgermittels, einen Expander zur Expansion des ersten Wärmeträgermittels, einen ersten Wärmetauscher und einen zweiten Wärmetauscher aufweist, welche derart angeordnet sind, dass im Betrieb der Wärmeübertragungsanlage das erste Wärmeträgermittel in dem Übertragungskreislauf nacheinander durch den ersten Wärmetauscher, den Expander, den zweiten Wärmetauscher und den Verdichter geführt wird.
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Eine solche Wärmeübertragungsanlage ist bekannt und wird in einer Ausführungsform als Wärmepumpe bezeichnet. Bei einer Wärmepumpe wird aus einem Reservoir mit niedriger Temperatur Wärmeenergie entnommen, sodass sich das Reservoir noch weiter abkühlt, und diese als Nutzwärme auf ein Reservoir mit höherer Temperatur übertragen. Das Reservoir mit höherer Temperatur kann beispielsweise eine Zentralheizung sein. Um die Wärmepumpe zu betreiben, muss dieser Energie zugeführt werden. Dies erfolgt meist über den Verdichter, über den Energie zum Komprimieren des ersten Wärmträgermittels zugeführt wird.
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Bei den bekannten Wärmepumpen wird ein Wärmeträgermittel verwendet, das bei niedrigem Druck unter Wärmezufuhr verdampft und nach der Verdichtung auf einen höheren Druck unter Wärmeabgabe wieder kondensiert.
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Das erste Wärmeträgermittel im geschlossenen Übertragungskreislauf wird somit durch den Verdichter geführt, in dem es komprimiert wird, wodurch sich die Temperatur des Wärmeträgermittels erhöht, wird danach durch den ersten Wärmetauscher geführt, über den das Wärmeträgermittel Wärmeenergie abgeben kann, wird dann über den Expander geführt, in dem das Wärmeträgermittel expandiert und abgekühlt wird, und schließlich durch den zweiten Wärmetauscher geführt, über den das Wärmeträgermittel Wärmeenergie aufnehmen kann.
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Als Expander kommt meist eine Drossel zum Einsatz
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Solche Wärmepumpen erfreuen sich seit einigen Jahren einer wachsenden Beliebtheit. Insbesondere dann, wenn der zweite Wärmetauscher mit der Umgebung gekoppelt ist, hängt der Wirkungsgrad jedoch stark von der Umgebungstemperatur ab. Grundsätzlich gilt, je niedriger die Umgebungstemperatur, umso kleiner der Wirkungsgrad, sodass die bekannten Wärmepumpen gerade dann den schlechtesten Wirkungsgrad zeigen, wenn die Wärmepumpe am dringendsten benötigt wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Wärmeübertragungsanlage bereitzustellen, die einen gegenüber den bekannten Systemen erhöhten Wirkungsgrad aufweist.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch gelöst, dass der Expander als Arbeitsmaschine ausgebildet ist und mit dem Verdichter über ein Kopplungselement derart gekoppelt ist, dass die in dem Expander bei der Expansion des ersten Wärmeträgermittels freiwerdende Energie an den Verdichter zum Verdichten des ersten Wärmeträgermittels übertragen wird.
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Erfindungsgemäß wird somit die bei der Expansion freiwerdende Energie zur Erzeugung von mechanischer Energie genutzt, welche über das Kopplungselement zum Antreiben des Verdichters benutzt wird.
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Dadurch kann die notwendige Energiemenge, die dem System zugeführt werden muss, reduziert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Verdichter ein Rotationsverdichter mit einer Antriebswelle. In dem Verdichter wird das gasförmige erste Wärmeträgermittel mit niedrigem Druck angesaugt und auf einen höheren Druck verdichtet. Häufig weist ein solcher Rotationsverdichter ein Gehäuse, einen exzentrisch gelagerten Rotor und ein Trennelement auf, das zusammen mit einem Federelement innerhalb des Gehäuses sitzt. Das Federelement hat dabei die Aufgabe, das Trennelement gegen den Rotor vorzuspannen. Durch Drehen des Rotors wird eine bestimmte Gasmenge mit niedrigem Druck zwischen Trennelement, Rotor und Gehäusewand eingesperrt. Durch die Rotation wird das Gasvolumen verkleinert, was eine Druck- und Temperaturerhöhung im Gas bewirkt. Der Rotationsverdichter wird dabei über die Antriebswelle angetrieben. Beispielsweise kann ein Schraubenverdichter verwendet werden.
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Ein Rotationsverdichter bewirkt ein kontinuierliches Verdichten und lässt sich leicht antreiben.
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Folglich muss das Kopplungselement derart ausgebildet sein, dass die vom Expander bereitgestellte mechanische Energie die Antriebswelle antreibt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist daher vorgesehen, dass der Expander eine Abtriebswelle aufweist, welche durch eine Expansion des ersten Wärmeträgermittels angetrieben wird.
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Das Kopplungselement koppelt daher am besten die Antriebswelle mit der Abtriebswelle, wobei vorzugsweise Antriebswelle und Abtriebswelle durch eine gemeinsame, das Kopplungselement darstellende Übertragungswelle gebildet wird.
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Durch die Verwendung einer gemeinsamen Übertragungswelle, die sowohl Antriebswelle für den Verdichter als auch Abtriebswelle des Expanders bildet, können weitere Verluste durch zwischengeschaltete Zahnräder oder andere Getriebeelemente vermieden werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein Motor vorgesehen, mit welchem die Antriebswelle angetrieben werden kann. Dabei ist der Motor vorzugsweise ein Elektromotor mit einem Rotor, welcher an einer Rotorwelle befestigt ist.
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Besonders bevorzugt ist dabei eine Ausführungsform, bei der die Übertragungswelle als Rotorwelle ausgebildet ist.
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Mit anderen Worten dient die Übertragungswelle somit als Rotorwelle des Elektromotors, als Antriebswelle des Verdichters sowie als Abtriebswelle des Expanders.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind Verdichter, Expander, Motor und Übertragungswelle in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet.
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Durch die kompakte Anordnung ist eine verlustarme Übertragung von der Abtriebswelle auf die Antriebswelle möglich.
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In einer Ausführungsform wird als erstes Wärmeträgermittel ein Gas verwendet, welches oberhalb von -50°C bei Atmosphärendruck gasförmig ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird als erstes Wärmeträgermittel Stickstoff oder ein Gasgemisch bestehend zu mindestens 90 Prozent aus Sauerstoff und Stickstoff verwendet. Am besten wird Luft verwendet. Die Verwendung von Luft als erstem Wärmeträgermittel hat den Vorteil, dass bei einem versehentlichen Entweichen des Wärmeträgermittels aus dem Übertragungskreislauf keine gesundheitlichen Gefährdungen oder Umweltgefährdungen auftreten. Zudem ist Luft im Vergleich zu allen anderen Wärmeträgermitteln ausgesprochen günstig. Alternativ dazu kann auch ein Edelgas oder ein anderes Inertgas als erstes Wärmeträgermittel verwendet werden.
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Durch die Verwendung von Luft oder einem anderen oberhalb von -30°C gasförmigen Gas als erstem Wärmeübertragungsmittel wird bei üblichen Betriebstemperaturen der Wärmeübertragungsanlage zudem sichergestellt, dass es zu keiner Kondensation und auch zu keinem Verdampfungsvorgang des Gases kommt. Die Wärmeübertagungsanlage kommt somit völlig ohne Aggregatszustandsänderungen des Wärmeübertragungsmittels aus. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, dass sich die gewünschte Temperatur an den beiden Wärmetauschern nahezu beliebig einstellen und auf den gewünschten Anwendungsfall optimieren lässt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Wärmeübertragungsanlage einen geschlossenen Wärmekreislauf mit einem zweiten Wärmeübertragungsmittel auf, welcher über den ersten Wärmetauscher mit dem Übertragungskreislauf wärmegekoppelt ist. Dabei ist das zweite Wärmeübertragungsmittel vorzugsweise Wasser. Der geschlossene Wärmekreislauf kann beispielsweise mit einer Zentralheizung verbunden sein, um ein Wohngebäude zu beheizen.
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In einer alternativen Ausführungsform ist ein geschlossener Kältekreislauf mit einem dritten Wärmeübertragungsmittel vorgesehen, welcher über den zweiten Wärmetauscher mit dem Übertragungskreislauf wärmegekoppelt ist. Dabei ist das dritte Wärmeübertragungsmittel vorzugsweise Wasser. Je nach Anwendungsfall kann es von Vorteil sein, wenn dem Wasser ein Frostschutzmittel, wie zum Beispiel Glykol, zugesetzt ist.
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Der geschlossene Kältekreislauf kann beispielsweise zum Betreiben einer Kälteanlage verwendet werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist im Wärmekreislauf und/oder im Kältekreislauf eine Einstellvorrichtung zur Einstellung des Volumenstroms oder zur Einstellung der Temperatur des zweiten bzw. dritten Wärmeträgermittels im ersten bzw. zweiten Wärmetauscher vorgesehen.
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Der Volumenstrom des zweiten oder dritten Wärmeträgermittels durch den ersten oder zweiten Wärmetauscher kann beispielsweise mit Hilfe einer Umwälzpumpe eingestellt werden. Soll der Volumenstrom erhöht werden, wird die Leistung der Umwälzpumpe erhöht.
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Um die Temperatur des zweiten oder dritten Wärmeträgermittels im ersten oder zweiten Wärmetauscher einzustellen, kann der Kühlkreislauf bzw.der Wärmekreislauf einen Bypass, welcher den Eingang des ersten oder zweiten Wärmetauschers mit dem Ausgang des ersten oder zweiten Wärmetauscher verbindet, und ein Mischventil aufweisen, mit welchem der Volumenstrom durch den Bypass eingestellt werden kann.
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Im Falle des Kühlkreislaufes wird die Temperatur des dritten Wärmeträgermittels, das durch den Bypass strömt, höher sein als die Temperatur des dritten Wärmeträgermittels, das nicht durch den Bypass strömt, so dass durch das Mischventil der Anteil des dritten Wärmemittels mit höherer Temperatur und daher auch die sich einstellende Mischtemperatur eingestellt werden kann.
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Im Falle des Wärmekreislaufes wird die Temperatur des zweiten Wärmeträgermittels, das durch den Bypass strömt, niedriger sein als die Temperatur des zweiten Wärmeträgermittels, das nicht durch den Bypass strömt, so dass durch das Mischventil der Anteil des zweiten Wärmemittels mit niedrigerer Temperatur und daher auch die sich einstellende Mischtemperatur eingestellt werden kann.
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Die Wärmeübertragungsanlage kann in einer bevorzugten Ausführungsform eine Kontrolleinheit zum Messen und Regulieren des Drucks des ersten Wärmeträgermittels aufweisen. Dabei kann ein Reservoir für das erste Wärmeübertragungsmittel vorgesehen sein und mit dem Übertragungskreislauf verbindbar sein. Die Kontrolleinheit kann derart ausgelegt sein, dass sie im Falle eines Abweichens des gemessenen Drucks von einem vorgegebenen Drucksollwert entweder dem Übertragungskreislauf erstes Wärmeträgermittel aus dem Reservoir zuführt oder dem Übertragungskreislauf erstes Wärmeträgermittel entzieht, das entzogene erste Wärmeträgermittel entweder in das Reservoir oder die Umgebung führt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Wärmeübertragungsanlage einen Temperatursensor auf, mit dem die Temperatur des ersten Wärmeübertragungsmittels an einer Stelle im Übertragungskreislauf gemessen werden kann. Des Weiteren kann eine Regeleinrichtung vorgesehen sein, welche die Einstellvorrichtung derart ansteuert, dass sie den Volumenstrom und/oder die Temperatur des zweiten und/oder dritten Wärmeträgermittels durch den ersten oder zweiten Wärmetauscher in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur einstellt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und der zugehörigen Figur.
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Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung
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In 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Ausführungsform dargestellt. Die Wärmeübertragungsanlage 1 weist einen Verdichter 3, einen ersten Wärmetauscher 5, einen Expander 7 und einen zweiten Wärmetauscher 8 auf, wobei die einzelnen Elemente durch entsprechende Leitungen 2, 4, 6 und 13 miteinander verbunden sind. Der Übertragungskreislauf wird mit Luft gefüllt, sodass sich in der Leitung 2 befindliche Luft in dem Verdichter 3 verdichtet wird. Beispielsweise könnte in der Leitung 2 Luft mit einer Temperatur von 20° C bei 0 bar enthalten sein. Diese Druckangabe bezieht sich wie alle anderen Druckangaben auf den Überdruck gegenüber dem atmosphärischen Druck. Die Angabe 0 bar bedeutet somit, dass der Luftdruck dem Umgebungsdruck entspricht.
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Durch den Verdichter 3 wird in der gezeigten Ausführungsform das Gas in die Leitung 4 verdichtet, sodass sich dort Gas mit einer Temperaturvon 90° C und einem Druck von 13 bar befindet. Dieses derart verdichtete Hochtemperaturgas wird durch den ersten Wärmetauscher 5 geführt. Der erste Wärmetauscher 5 ist mit einem geschlossenen Wärmekreislauf verbunden, der die Leitungen 12 und 14 aufweist.
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In dem dargestellten Beispiel wird in dem geschlossenen Wärmekreislauf Wasser als zweites Wärmeträgermittel verwendet, welches über die Leitung 12 mit einer Temperatur von +50° C zugeführt wird. Durch den Wärmetauscher 5 wird nun dem über die Leitung 4 zugeführten Gas Wärmeenergie entnommen und auf den Wärmekreislauf übertragen, sodass in der Leitung 14 Wasser mit der Temperatur von 70° C aus dem ersten Wärmetauscher herausgeführt wird. In gleicher Weise kühlt sich die Luft im ersten Wärmetauscher 5 ab, sodass in der Leitung 6 die Luft bei einem Druck von 13 bar nun nur noch eine Temperatur von +60° C hat.
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Diese Luft wird nun durch den Expander 7 geführt, in dem die Luft expandiert wird, sodass sie auf einen Druck von 0 bar abfällt. Dabei kommt es auch zu einer Abkühlung, und zwar im gezeigten Beispiel auf -10° C in Leitung 13. Dieses entsprechend entspannte und abgekühlte Gas wird nun dem zweiten Wärmetauscher 8 zugeführt. Dieser ist mit einem Kältekreislauf verbunden, welcher die Leitungen 15 und 16 aufweist, über den beispielsweise Wasser mit Glykol versetzt als drittes Wärmeträgermittel mit einer Temperatur von +30° C über die Leitung 15 zugeführt wird.
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Dadurch kommt es zu einem Wärmeübertrag von dem Kältekreislauf auf den Übertragungskreislauf, sodass der Kältekreislauf in Leitung 16 nur noch eine Temperatur von +10° C hat, während nach dem zweiten Wärmetauscher der Übertragungskreislauf in Leitung 2 wieder eine Temperatur von +20° C hat. Durch Betreiben der Wärmeübertragungsanlage 1 wird daher Wärmeenergie dem Kältekreislauf entzogen und dem Heizkreislauf zugeführt.
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Hierzu ist jedoch die Zuführung von mechanischer Energie notwendig, was im gezeigten Beispiel über den Motor 11 erfolgt. Der Verdichter 3 weist eine Antriebswelle 9 auf, die direkt mit der Rotorwelle des Motors 11 verknüpft ist. Wird daher durch den Motor 11 die Welle 9 angetrieben, so führt dies zu einer Gasverdichtung innerhalb des Verdichters 3.
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Erfindungsgemäß ist der Expander 7 ebenfalls mit einer Abtriebswelle 10 ausgestattet, sodass beim Expandieren die Abtriebswelle 10 angetrieben wird. Da auch die Abtriebswelle 10 mit der Rotorwelle des Motors 11 verbunden ist, unterstützt der Expander aufgrund der Kopplung zwischen Abtriebswelle 10 und Antriebswelle 9 beim Antreiben des Verdichters, wodurch Energie eingespart werden kann.
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Durch die erfindungsgemäße Kopplung zwischen Verdichter und Expander kann der Wirkungsgrad der Anlage deutlich verbessert werden. Insbesondere dann, wenn der Wärmekreislauf Teil einer Heizung und der der Kältekreislauf Teil einer Kühlanlage ist, müssen lediglich die inneren Verluste des Prozesses durch den Motor ersetzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wärmeübertragungsanlage
- 2
- Leitung
- 3
- Verdichter
- 4
- Leitung
- 5
- erster Wärmetauscher
- 6
- Leitung
- 7
- Expander
- 8
- zweiter Wärmetauscher
- 9
- Antriebswelle
- 10
- Abtriebswelle
- 11
- Motor
- 12, 13, 14, 15
- Leitungen
