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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nutzung von thermischer Energie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Nutzung umfasst auch die Rekuperation.
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Stand der Technik
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In der
DE 33 13 407 A1 wird eine Klimaanlage für Personenfahrzeuge mit einer Wärmepumpe sowohl für die Heizung als auch für die Kühlung des Fahrgastraums beschrieben, wobei die thermische Energie von verbrauchter Luft aus dem Wageninneren genutzt wird.
Die Klimaanlage weist einen im Inneren angeordneten Wärmetauscher, einen externen Wärmetauscher, einen Kompressor und ein Vierwegeventil zur Umschaltung zwischen den beiden Betriebsarten Heizen und Kühlen auf.
Beim Heizen dienen der innere Wärmetauscher als Kondensator und der externe Wärmetauscher als Verdampfer.
Beim Kühlen dienen der innere Wärmetauscher als Verdampfer und der externe Wärmetauscher als Kondensator.
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Die Wunschtemperatur wird durch Energieeintrag mittels Kompressorbetrieb dargestellt.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine modulare Vorrichtung zur Nutzung von thermischer Energie anzugeben, die in bestehende Systeme integrierbar ist.
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Lösung der Aufgabe
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Die Erfindung wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist ein Einzelsystem, welches mittels eines ersten und eines zweiten Wärmetauschers in ein bestehendes System, welches einen dritten Wärmetauscher und einen vierten Wärmetauscher aufweist, integriert werden kann. Beispielsweise kann das System aus Wärmeübertragern oder Ventilen bestehen.
Weiterhin kann das System als ein Kompressor zur Konditionierung der Frischluft oder Kabinenluft, oder als eine Wärmepumpe ausführbar sein.
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Die Vorrichtung weist einen Kreislauf, ein im Kreislauf zirkulierbares erstes Medium, den ersten Wärmetauscher, den zweiten Wärmetauscher auf.
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Der erste Wärmetauscher steht in thermischem Kontakt mit dem Kreislauf und einer Leitung eines bestehenden Systems.
Die Leitung des bestehenden Systems ist von einem zweiten Medium durchströmbar.
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Der zweite Wärmetauscher steht in thermischem Kontakt mit dem Kreislauf und der Leitung des bestehenden Systems.
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Ein dritter Wärmetauscher steht in thermischem Kontakt mit der Leitung des bestehenden Systems und einer Wärmequelle.
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Ein vierter Wärmetauscher steht in thermischem Kontakt mit einer Umgehungsleitung, die stromabwärts des ersten Wärmetauschers und stromaufwärts des dritten Wärmetauschers von der Leitung des bestehenden Systems abzweigt und stromabwärts des dritten Wärmetauschers und stromaufwärts des zweiten Wärmetauschers in die Leitung des bestehenden Systems einmündet.
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Zur Erhöhung der Temperatur des zweiten Mediums durchströmt das zweite Medium zuerst den ersten Wärmetauscher, anschließend den dritten Wärmetauscher und daran anschließend den zweiten Wärmetauscher.
Das erste Medium zirkuliert in dem Kreislauf in einer ersten Strömungsrichtung.
In dem Kreislauf dient der erste Wärmetauscher als Kondensator und der zweite Wärmetauscher als Verdampfer für das erste Medium.
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Zur Senkung der Temperatur des zweiten Mediums durchströmt das zweite Medium zuerst den ersten Wärmetauscher, anschließend den vierten Wärmetauscher, und daran anschließend den zweiten Wärmetauscher.
Das erste Medium zirkuliert in dem Kreislauf in einer zweiten Strömungsrichtung.
In dem Kreislauf dient der erste Wärmetauscher als Verdampfer und der zweite Wärmetauscher als Kondensator für das erste Medium.
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Mittels der Vorrichtung wird in dem bestehenden System Wärme (thermische Energie) von dem zweiten Wärmetauscher zu dem ersten Wärmetauscher mittels der Ausnutzung der Phasenübergänge des ersten Mediums transportiert.
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Der Eintrag an thermischer Energie über das erste Medium an das zweite Medium mittels des ersten Wärmetauschers übersteigt nicht den Eintrag an thermischer Energie über das zweite Medium an das erste Medium mittels des zweiten Wärmetauschers.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der Kreislauf einen Behälter für ein veränderliches Volumen auf, welcher als Vorrat für das erste Medium und zudem zur Einstellung des Systemdrucks dienen kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der Kreislauf eine Pumpe zum Fördern/Umwälzen des ersten Mediums auf, mit welcher der Volumenstrom einstellbar sowie die Förderrichtung bestimmbar sind.
Die Pumpe ist kein Verdichter oder Kompressor.
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Figurenliste
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Es zeigt:
- Figur: eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Nutzung von thermischer Energie.
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Die Figur zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Nutzung von thermischer Energie. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Kreislauf 2, einen ersten Wärmetauscher 3 sowie einen zweiten Wärmetauscher 4.
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In dem Kreislauf 2 kann ein erstes Medium, beispielsweise Halogenwasserstoffe, Kohlenwasserstoffe oder Halogenkohlenwasserstoffe, zirkulieren.
Das erste Medium kann den Kreislauf sowohl in einer ersten Strömungsrichtung in Richtung des Pfeils P1 als auch in einer zweiten Strömungsrichtung in Richtung des Pfeils P2 zirkulieren.
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Der erste Wärmetauscher 3 und der zweite Wärmetauscher 4 stehen jeweils in thermischem Kontakt mit dem Kreislauf 2 und einer Leitung 5 eines bestehenden Systems 6.
Das bestehende System 6 ist beispielsweise ein Lüftungssystem eines Fahrzeugs.
Durch die Leitung 5 kann ein zweites Medium, beispielsweise Luft, in Richtung des Pfeils P3 strömen.
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Ein dritter Wärmetauscher 7 steht in thermischem Kontakt mit der Leitung 5 und einer Wärmequelle.
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Die Wärmequelle ist beispielsweise ein Kaltleiter (PTC, positive temperature coefficient) oder ein Heizungswärmetauscher.
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Ein vierter Wärmetauscher 8 steht in thermischem Kontakt mit einer Umgehungsleitung 9 und einer Kältequelle, beispielsweise ein Verdampfer eines Kältekreislaufes.
Die Umgehungsleitung 9 zweigt stromabwärts des ersten Wärmetauschers 3 und stromaufwärts des dritten Wärmetauschers 7 von der Leitung 5 ab und mündet stromabwärts des dritten Wärmetauschers 7 und stromaufwärts des zweiten Wärmetauschers 4 wieder in die Leitung 5 ein.
Das zweite Medium kann die Umgehungsleitung 9 in Richtung des Pfeils P4 durchströmen.
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Stromabwärts des zweiten Wärmetauschers 4 zweigt von der Leitung 5 eine weitere Leitung 10 ab, die stromaufwärts des ersten Wärmetauschers 3 wieder in die Leitung 5 einmündet. Das zweite Medium kann die weitere Leitung 10 in Richtung des Pfeils P5 durchströmen. Bei einem Lüftungssystem ist die weitere Leitung 10 eine Umluftleitung.
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Der Kreislauf weist zudem einen Behälter 11 für variables Volumen und eine Pumpe 12 auf. Der Behälter 11 und die Pumpe 12 sind in Richtung des Pfeils P1 stromaufwärts des ersten Wärmetauschers 3 und stromabwärts des zweiten Wärmetauschers 4 in dem Kreislauf 2 angeordnet.
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Der Behälter 11 für das variable Volumen des ersten Mediums ermöglicht eine Manipulation des Systemdrucks im Kreislauf 2.
Für jeden Betriebspunkt entlang der Dampfdrucklinie können geeignete Bedingungen, beispielsweise mittels einer Zylinder-Kolben/Stempel-Aktuatorik, eingestellt werden.
Der eingestellte Betriebsdruck einer Anlage kann nach oben hin begrenzt und Druckschwankungen möglichst gut ausgeglichen werden.
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Mittels der Pumpe 12 wird das erste Medium im Kreislauf 2 bewegt.
Die Pumpe 12 ist eine reine Förder-/Umwälzpumpe und kein Verdichter/Kompressor.
Die Förderleitung der Pumpe 12 kann variabel ansteuerbar sein.
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Zum Heizen, d.h. zur Temperaturerhöhung des zweiten Mediums, zirkuliert das erste Medium in Richtung des Pfeils P1 im Kreislauf 2.
In dem Kreislauf 2 dient der erste Wärmetauscher 3 als Kondensator und der zweite Wärmetauscher 4 als Verdampfer für das erste Medium.
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Das zweite Medium durchströmt in der Leitung 5 zuerst den ersten Wärmetauscher 3, anschließend den dritten Wärmetauscher 7 und daran anschließend den zweiten Wärmetauscher 4.
Ist der vierte Wärmetauscher 8 ein Verdampfer eines Klimageräts, so besteht beim Heizen auch die Möglichkeit, dass das zweite Medium zusätzlich zu dem dritten Wärmetauscher 7 den vierten Wärmetauscher 8 durchströmen kann, wobei der vierte Wärmetauscher 8 in diesem Fall nicht aktiv ist (d.h. es wird hier keine thermische Energie übertragen).
Über den als Verdampfer wirkenden zweiten Wärmetauscher 4 wird thermische Energie von dem zweiten Medium auf das flüssige erste Medium übertragen.
Im zweiten Wärmetauscher 4 erhitzt sich das erste Medium und geht in die gasförmige Phase über.
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Das gasförmige erste Medium strömt in Richtung des Pfeils P1 von dem zweiten Wärmetauscher 4 zu dem ersten Wärmetauscher 3.
In dem ersten Wärmetauscher 3 wird thermische Energie von dem ersten Medium auf das zweite Medium übertragen und das erste Medium kühlt ab und geht in die flüssige Phase über.
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Das flüssige erste Medium wird von der Pumpe 12 in Richtung des Pfeils P1 zu dem zweiten Wärmetauscher 4 gefördert.
Der Behälter 11 kann ein höheres Volumen des gasförmigen ersten Mediums ausgleichen und fungiert somit als Ausgleichsbehälter.
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Das zweite Medium nimmt beim Durchströmen des ersten Wärmetauschers 3 die thermische Energie (Kondensationswärme) des ersten Mediums auf und die Temperatur des zweiten Mediums erhöht sich entsprechend.
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Beim anschließenden Durchströmen des dritten Wärmetauschers 7 kann die Temperatur des zweiten Mediums durch die Wärmequelle weiter erhöht werden.
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Beim anschließenden Durchströmen des zweiten Wärmetauschers 4 wird die Temperatur des zweiten Mediums entsprechend der Übertragung an thermischer Energie an das erste Medium abgesenkt.
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Über die weitere Leitung 10 kann das aus dem zweiten Wärmetauscher 4 ausströmende zweite Medium teilweise oder vollständig zum ersten Wärmetauscher 3 zurückgeführt werden.
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Wird das zweite Medium vollständig über die weitere Leitung 10 von dem zweiten Wärmetauscher 4 zu dem ersten Wärmetauscher 3 zurückgeführt, reduziert sich die an dem ersten Wärmetauscher 3 und an dem zweiten Wärmetauscher 4 anliegende Temperaturdifferenz bis schließlich keine Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Medium und dem zweiten Medium vorhanden ist.
Das erste Medium liegt nur noch im gasförmigen Aggregatzustand vor und die ursprüngliche Funktion des Kreislaufes 2 ist nicht mehr gegeben.
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Zum Kühlen, d.h. zur Temperaturabsenkung des zweiten Mediums, zirkuliert das erste Medium in Richtung des Pfeils P2 im Kreislauf 2.
In dem Kreislauf 2 dient der erste Wärmetauscher 3 als Verdampfer und der zweite Wärmetauscher 4 als Kondensator für das erste Medium.
Das zweite Medium durchströmt in der Leitung 5 zuerst den ersten Wärmetauscher 3, anschließend den vierten Wärmetauscher 8 und daran anschließend den zweiten Wärmetauscher 4.
Über den als Kondensator wirkenden zweiten Wärmetauscher 4 wird thermische Energie von dem ersten gasförmigen Medium auf das zweite Medium übertragen.
Im zweiten Wärmetauscher 4 kühlt das erste Medium ab und geht in die flüssige Phase über.
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Das flüssige erste Medium wird von der Pumpe 12 in Richtung des Pfeils P2 zu dem zweiten Wärmetauscher 4 gefördert.
Der Behälter 11 kann ein höheres Volumen des gasförmigen ersten Mediums ausgleichen und fungiert somit als Ausgleichsbehälter.
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In dem ersten Wärmetauscher 3 wird thermische Energie von dem zweiten Medium auf das erste Medium übertragen und das erste Medium erhitzt sich und geht in die gasförmige Phase über.
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Das zweite Medium überträgt beim Durchströmen des ersten Wärmetauschers 3 die thermische Energie auf das erste Medium und die Temperatur des zweiten Mediums erniedrigt sich entsprechend.
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Beim anschließenden Durchströmen des vierten Wärmetauschers 8 kann die Temperatur des zweiten Mediums durch die Wärmequelle weiter erniedrigt werden.
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Beim anschließenden Durchströmen des zweiten Wärmetauschers 4 wird die Temperatur des zweiten Mediums entsprechend der Übertragung an thermischer Energie von dem ersten gasförmigen Medium erhöht.
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Über die weitere Leitung 10 kann das aus dem zweiten Wärmetauscher 4 ausströmende zweite Medium teilweise oder vollständig zum ersten Wärmetauscher 3 zurückgeführt werden.
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Wird das zweite Medium vollständig über die weitere Leitung 10 von dem zweiten Wärmetauscher 4 zu dem ersten Wärmetauscher 3 zurückgeführt, reduziert sich die an dem ersten Wärmetauscher 3 und an dem zweiten Wärmetauscher 4 anliegende Temperaturdifferenz, bis schließlich keine Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Medium und dem zweiten Medium vorhanden ist.
Das erste Medium liegt nur noch im flüssigen Aggregatzustand vor und die ursprüngliche Funktion des Kreislaufes 2 ist nicht mehr gegeben.
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Mittels der Vorrichtung 1 wird in dem bestehenden System 8 Wärme (thermische Energie) von dem zweiten Wärmetauscher 4 zu dem ersten Wärmetauscher 3 mittels der Ausnutzung der Phasenübergänge des ersten Mediums transportiert.
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Der Eintrag an thermischer Energie über das erste Medium an das zweite Medium mittels des ersten Wärmetauschers 3 übersteigt nicht den Eintrag an thermischer Energie über das zweite Medium an das erste Medium mittels des zweiten Wärmetauschers 4.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Kreislauf
- 3
- erster Wärmetauscher
- 4
- zweiter Wärmetauscher
- 5
- Leitung
- 6
- bestehendes System
- 7
- dritter Wärmetauscher
- 8
- vierter Wärmetauscher
- 9
- Umgehungsleitung
- 10
- weitere Leitung
- 11
- Behälter für variables Volumen
- 12
- Pumpe
- P1
- Pfeil
- P2
- Pfeil
- P3
- Pfeil
- P4
- Pfeil
- P5
- Pfeil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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