DE102017217730B4

DE102017217730B4 - Kondensierer mit einer füllung und wärmepumpe

Info

Publication number: DE102017217730B4
Application number: DE102017217730.6A
Authority: DE
Inventors: Oliver Kniffler; Johannes Lang
Original assignee: Efficient Energy GmbH
Current assignee: VERTIV SRL, IT
Priority date: 2017-08-23
Filing date: 2017-10-05
Publication date: 2020-01-16
Anticipated expiration: 2037-10-06
Also published as: DE102017217730A1

Abstract

Kondensierer (306), mit folgenden Merkmalen:einem Gehäuse (114) mit einer Füllung (50), wobei die Füllung (50) bezüglich einer Betriebsausrichtung des Kondensierers (306) eine obere Begrenzungsfläche (50c) hat;einer in dem Gehäuse (114) angeordneten Beregnungsanlage (60) zum Beregnen nur eines ersten Teils (50a) der oberen Begrenzungsfläche (50c) mit einer Arbeitsflüssigkeit, wobei ein zweiter Teil (50b) der oberen Begrenzungsfläche (50c) nicht beregnet wird; undeiner in dem Gehäuse (114) angeordneten Arbeitsdampfzuführungsanlage (70) zum Zuführen von Arbeitsdampf auf den zweiten Teil (50b) der oberen Begrenzungsfläche (50c) der Füllung (50),wobei eine Füllhöhe der Füllung (50) in dem ersten Teil (50a) der oberen Begrenzungsfläche (50c) und dem zweiten Teil (50b) der oberen Begrenzungsfläche (50c) im Wesentlichen gleich ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verflüssiger bzw. Kondensierer mit Füllungen und insbesondere auf Verflüssiger, die in Wärmepumpen zum Heizen, Kühlen oder für sonstige Anwendungen einer Wärmepumpe einsetzbar sind. Darüber hinaus bezieht sich die vorliegende Erfindung auch auf solche Wärmepumpen.
8A und 8B stellen eine Wärmepumpe dar, wie sie in dem europäischen Patent EP 2016349 B1 beschrieben ist. Die Wärmepumpe umfasst zunächst einen Verdampfer 10 zum Verdampfen von Wasser als Arbeitsflüssigkeit, um ausgangsseitig einen Dampf in einer Arbeitsdampfleitung 12 zu erzeugen. Der Verdampfer umfasst einen Verdampfungsraum (in 8A nicht gezeigt) und ist ausgebildet, um in dem Verdampfungsraum einen Verdampfungsdruck kleiner als 40 hPa zu erzeugen, so dass das Wasser bei Temperaturen unter 30 °C im Verdampfungsraum verdampft. Das Wasser ist z.B. Grundwasser, im Erdreich frei oder in Kollektorrohren zirkulierende Sole, also Wasser mit einem bestimmten Salzgehalt, Flusswasser, Seewasser oder Meerwasser. Es können alle Arten von Wasser, also kalkhaltiges Wasser, kalkfreies Wasser, salzhaltiges Wasser oder salzfreies Wasser verwendet werden. Dies liegt daran, dass alle Arten von Wasser, also alle diese „Wasserstoffe“, die günstige Wasser-Eigenschaft haben, nämlich dass Wasser, das auch als „R 718“ bekannt ist, ein für den Wärmepumpen-Prozess nutzbares Enthalpie-Differenz-Verhältnis von 6 hat, was dem mehr als 2-fachen des typischen nutzbaren Enthalpie-Differenz-Verhältnisses von z.B. R134a entspricht.
Der Wasserdampf wird durch die Saugleitung 12 einem Verdichter/Verflüssiger-System 14 zugeführt, das eine Strömungsmaschine wie z.B. einen Radialverdichter, beispielsweise in Form eines Turboverdichters aufweist, der in 8A mit 16 bezeichnet ist. Die Strömungsmaschine ist ausgebildet, um den Arbeitsdampf auf einen Dampfdruck zumindest größer als 25 hPa zu verdichten. 25 hPa korrespondiert mit einer Verflüssigungstemperatur von etwa 22 °C, was zumindest an relativ warmen Tagen bereits eine ausreichende Heizungs-Vorlauftemperatur einer Fußbodenheizung sein kann. Um höhere Vorlauftemperaturen zu generieren, können Drücke größer als 30 hPa mit der Strömungsmaschine 16 erzeugt werden, wobei ein Druck von 30 hPa eine Verflüssigungstemperatur von 24 °C hat, ein Druck von 60 hPa eine Verflüssigungstemperatur von 36 °C hat, und ein Druck von 100 hPa einer Verflüssigungstemperatur von 45 °C entspricht. Fußbodenheizungen sind ausgelegt, um mit einer Vorlauftemperatur von 45 °C auch an sehr kalten Tagen ausreichend heizen zu können.
Die Strömungsmaschine ist mit einem Verflüssiger 18 gekoppelt, der ausgebildet ist, um den verdichteten Arbeitsdampf zu verflüssigen. Durch das Verflüssigen wird die in dem Arbeitsdampf enthaltene Energie dem Verflüssiger 18 zugeführt, um dann über den Vorlauf 20a einem Heizsystem zugeführt zu werden. Über den Rücklauf 20b fließt das Arbeitsfluid wieder in den Verflüssiger zurück.
Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, dem energiereichen Wasserdampf direkt durch das kältere Heizungswasser die Wärme (-energie) zu entziehen, welche vom Heizungswasser aufgenommen wird, so dass dieses sich erwärmt. Dem Dampf wird hierbei so viel Energie entzogen, dass dieser verflüssigt wird und ebenfalls am Heizungskreislauf teilnimmt.
Damit findet ein Materialeintrag in den Verflüssiger bzw. das Heizungssystem statt, der durch einen Ablauf 22 reguliert wird, derart, dass der Verflüssiger in seinem Verflüssigerraum einen Wasserstand hat, der trotz des ständigen Zuführens von Wasserdampf und damit Kondensat immer unterhalb eines Maximalpegels bleibt.
Wie es bereits ausgeführt worden ist, wird es bevorzugt, einen offenen Kreislauf zu nehmen, also das Wasser, das die Wärmequelle darstellt, direkt ohne Wärmetauscher zu verdampfen. Alternativ könnte jedoch auch das zu verdampfende Wasser zunächst über einen Wärmetauscher von einer externen Wärmequelle aufgeheizt werden. Darüber kann, um auch Verluste für den zweiten Wärmetauscher, der auf Verflüssiger-Seite bisher notwendigerweise vorhanden ist, zu vermeiden, auch dort das Medium direkt verwendet, werden, wenn an ein Haus mit Fußbodenheizung gedacht wird, das Wasser, das von dem Verdampfer stammt, direkt in der Fußbodenheizung zirkulieren zu lassen.
Alternativ kann jedoch auch auf Verflüssiger-Seite ein Wärmetauscher angeordnet werden, der mit dem Vorlauf 20a gespeist wird und der den Rücklauf 20b aufweist, wobei dieser Wärmetauscher das im Verflüssiger befindliche Wasser abkühlt und damit eine separate Fußbodenheizungsflüssigkeit, die typischerweise Wasser sein wird, aufheizt.
Aufgrund der Tatsache, dass als Arbeitsmedium Wasser verwendet wird, und aufgrund der Tatsache, dass von dem Grundwasser nur der verdampfte Anteil in die Strömungsmaschine eingespeist wird, spielt der Reinheitsgrad des Wassers keine Rolle. Die Strömungsmaschine wird, genauso wie der Verflüssiger und die ggf. direkt gekoppelte Fußbodenheizung immer mit destilliertem Wasser versorgt, derart, dass das System im Vergleich zu heutigen Systemen einen reduzierten Wartungsaufwand hat. Anders ausgedrückt ist das System selbstreinigend, da dem System immer nur destilliertes Wasser zugeführt wird und das Wasser im Ablauf 22 somit nicht verschmutzt ist.
Darüber hinaus sei darauf hingewiesen, dass Strömungsmaschinen die Eigenschaften haben, dass sie - ähnlich einer Flugzeugturbine - das verdichtete Medium nicht mit problematischen Stoffen, wie beispielsweise Öl, in Verbindung bringen. Stattdessen wird der Wasserdampf lediglich durch die Turbine bzw. den Turboverdichter verdichtet, jedoch nicht mit Öl oder einem sonstigen die Reinheit beeinträchtigenden Medium in Verbindung gebracht und damit verunreinigt.
Das durch den Ablauf abgeführte destillierte Wasser kann somit - wenn keine sonstigen Vorschriften im Wege stehen - ohne Weiteres dem Grundwasser wieder zugeführt werden. Alternativ kann es jedoch auch z.B. im Garten oder in einer Freifläche versickert werden, oder es kann über den Kanal, sofern dies Vorschriften gebieten - einer Kläranlage zugeführt werden.
Die Kombination von Wasser als Arbeitsmittel mit dem um das 2-fache besseren nutzbaren Enthalpie-Differenz-Verhältnis im Vergleich zu R134a und aufgrund der damit reduzierten Anforderungen an die Geschlossenheit des Systems, und aufgrund des Einsatzes der Strömungsmaschine, durch den effizient und ohne Reinheitsbeeinträchtigungen die erforderlichen Verdichtungsfaktoren erreicht werden, wird ein effizienter und umweltneutraler Wärmepumpenprozess geschaffen.
8B zeigt eine Tabelle zur Illustration verschiedener Drücke und den diesen Drücken zugeordneten Verdampfungstemperaturen, woraus sich ergibt, dass insbesondere für Wasser als Arbeitsmedium recht niedrige Drücke im Verdampfer zu wählen sind.
Die DE 4431887 A1 offenbart eine Wärmepumpenanlage mit einem leichtgewichtigen, großvolumigen Hochleistungs-Zentrifugalkompressor. Ein Dampf, der einen Kompressor einer zweiten Stufe verlässt, besitzt eine Sättigungstemperatur, die die Umgebungstemperatur oder diejenige eines verfügbaren Kühlwassers übersteigt, wodurch eine Wärmeabfuhr ermöglicht wird. Der komprimierte Dampf wird von dem Kompressor der zweiten Stufe in die Kondensatoreinheit überführt, die aus einer Schüttschicht besteht, die innerhalb einer Kühlwassersprüheinrichtung an einer Oberseite, die durch eine Wasserzirkulationspumpe versorgt wird, vorgesehen ist. Der komprimierte Wasserdampf steigt in dem Kondensor durch die Schüttschicht an, wo sie in direktem Gegenstromkontakt mit dem nach unten strömenden Kühlwasser gelangt. Der Dampf kondensiert und die latente Wärme der Kondensation, die durch das Kühlwasser absorbiert wird, wird an die Atmosphäre über das Kondensat und das Kühlwasser ausgestoßen, die zusammen aus dem System entfernt werden. Der Kondensor wird kontinuierlich mit nicht kondensierbaren Gasen mittels einer Vakuumpumpe über eine Rohrleitung gespült.
Die WO 2014072239 A1 offenbart einen Verflüssiger mit einer Kondensationszone zum Kondensieren von zu kondensierendem Dampf in einer Arbeitsflüssigkeit. Die Kondensationszone ist als Volumenzone ausgebildet und hat eine seitliche Begrenzung zwischen dem oberen Ende der Kondensationszone und dem unteren Ende. Ferner umfasst der Verflüssiger eine Dampfeinleitungszone, die sich entlang des seitlichen Endes der Kondensationszone erstreckt und ausgebildet ist, um zu kondensierenden Dampf seitlich über die seitliche Begrenzung in die Kondensationszone zuzuführen. Damit wird, ohne das Volumen des Verflüssigers zu vergrößern, die tatsächliche Kondensation zu einer Volumenkondensation gemacht, weil der zu verflüssigende Dampf nicht nur frontal von einer Seite in ein Kondensationsvolumen bzw. in die Kondensationszone eingeleitet wird, sondern seitlich und vorzugsweise von allen Seiten. Damit wird nicht nur sichergestellt, dass das zur Verfügung gestellte Kondensationsvolumen bei gleichen äußeren Abmessungen im Vergleich zu einer direkten Gegenstromkondensation vergrößert wird, sondern dass gleichzeitig auch die Effizienz des Kondensators verbessert wird, weil der zu verflüssigende Dampf in der Kondensationszone eine Stromrichtung quer zu der Strömungsrichtung der Kondensationsflüssigkeit aufweist.
Insbesondere wird bei dem bekannten Verflüssiger ein Netz eingesetzt, um die Kondensationszone von der Dampfeinleitungszone zu trennen. Damit sind Füllkörper lediglich in der Kondensationszone, nicht aber in der seitlichen Dampfeinleitungszone vorhanden.
Nachteilig an diesem Prozedere ist, dass das Befüllen des Verflüssigers mit Füllkörpern in dem Raum, den das Netz umgibt, bis zu einer Stunde dauern kann. Damit wird zwar sichergestellt, dass ein 1 bis 3 cm breiter Spalt entsteht. Andererseits ist problematisch, dass dennoch dieser Raum, der einen 1 bis 3 cm breiten Spalt umfasst, nicht von Füllkörpern ausgefüllt ist, die als Turbulenzgeneratoren wirken. Damit wird zum einen die Herstellung des Verflüssigers aufwendig aufgrund der langen Zeitdauer, die zur Füllung benötigt wird. Zum anderen ist das Verflüssigervolumen nicht optimal genutzt, weil in dem Raum, der die Dampfeinleitungszone darstellt, keine Turbulenzgeneratoren vorhanden sind.
Durch diesen Raum, der durch das Netz und die anschließende Befüllung des Netzes geschaffen worden ist, wird zwar ein freier Strömungsraum geschaffen, der das Eindringen des Wasserdampfes in alle Ebenen des Verflüssigungsraums bzw. der Kondensationszone ermöglicht. Andererseits ist das Realisieren des freien Strömungsraums aufwendig und führt zu einer ineffizienten Volumennutzung des Kondensierers.
Die DE 10 2016 203 414 A1 offenbart eine Wärmepumpe, die einen Kondensierer zum Kondensieren von verdichtetem Arbeitsdampf, und einen Fremdgassammelraum, der in dem Kondensierer angeordnet ist, umfasst, wobei der Fremdgassammelraum folgende Merkmale aufweist: eine Kondensationsoberfläche, die im Betrieb der Wärmepumpe kälter als eine Temperatur des zu kondensierenden Arbeitsdampfes ist; und eine Trennwand, die zwischen der Kondensationsoberfläche und einer Kondensationszone in dem Kondensierer angeordnet ist. Die Wärmepumpe umfasst ferner eine Fremdgasabführungseinrichtung, die mit dem Fremdgassammelraum gekoppelt ist, um Fremdgas aus dem Fremdgassammelraum abzuführen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Kondensiererkonzept zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch einen Kondensierer nach Patentanspruch 1, ein Verfahren zum Kondensieren nach Patentanspruch 25, ein Verfahren zum Herstellen eines Kondensierers nach Patentanspruch 26 oder eine Wärmepumpe nach Patentanspruch 27 gelöst.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die zusätzliche Befüllung des Dampfeinleitungsraums in den Kondensierer mit einer Füllung, vorzugsweise aus einem Schüttgut zu einer verbesserten Effizienz des Kondensierers sowohl im Hinblick auf seine Kondensierfähigkeit als auch im Hinblick auf seine Herstellung führt.
So werden bei der Erfindung die physikalischen Eigenschaften von Wasser und Wasserdampf durch die Ausgestaltung verschiedener Zonen, die mit ein und demselben Schüttgut befüllt sind, genutzt. Wasser fließt durch die Füllung turbulent und wird ständig umgeschichtet. Dagegen kann Wasserdampf nahezu ungehindert durch die Füllung bzw. durch das Schüttgut strömen. Erfindungsgemäß wird der beregnete Teil der Füllung bzw. des Schüttguts auf einen inneren kleineren Kreis bzw. einen inneren kleineren Bereich beschränkt. Damit entsteht zwischen der Außenwand des Kondensierers und dem beregneten Bereich eine Zone, in die der Wasserdampf optimal einströmen kann und so den für die Verflüssigung beregneten Teil optimal erreicht, und zwar entlang des gesamten Volumens des Verflüssigers. Eine Trennung durch ein Netz oder Ähnliches ist nicht mehr erforderlich.
Erfindungsgemäß werden die unterschiedlichen Reynolds-Zahlen von Wasser bzw. der zu verdampfenden Flüssigkeit und Wasserdampf bzw. dem Dampf der Arbeitsflüssigkeit ausgenutzt. Der beregnete Bereich bzw. beregnete Kreis wird durch eine umliegende Einströmzone für den Dampf beschränkt. Die Schwerkraft lässt bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Arbeitsflüssigkeit, die beispielsweise Wasser sein kann, von einem Füllungselement zum nächsten Füllungselement bzw. von Schüttgut zu Schüttgut weiter nach unten regnen. Eine „Aufweitung“ des beregneten Bereichs in vertikaler Richtung ist dabei relativ gering, so dass die Aufweitung bei einer Tiefe von 10 cm etwas weniger als beispielsweise 3 cm beträgt. Dadurch entsteht eine kreisförmige Einströmzone um den beregneten Teil, die nach unten hin immer kleiner wird. Diese Situation ist besonders ideal, da der Wasserdampf immer mehr in den beregneten Bereich hinein kondensiert.
Die vorliegende Erfindung ist dahin gehend vorteilhaft, dass ein optimierter Verflüssiger geschaffen wird, der einerseits leicht und aufwandsarm aufzubauen ist, da kein Netz oder etwas Ähnliches mehr benötigt wird. Darüber hinaus ist der Verflüssiger vorteilhaft, weil der Verflüssigungsraum ideal genutzt wird.
Weitere Vorteile sind in der selbstregelnden Charakteristik des Verflüssigers zu sehen, da die beregnete Fläche nach unten hin stetig zunimmt und der durchströmte Querschnitt, der von dem zugeführten Dampf durchströmt wird, nach unten stetig abnimmt. Dies entspricht auch der Abnahme des Volumenanteils des Arbeitsdampfs (von oben nach unten in der Einströmzone, die nicht beregnet wird,) der in den Flüssigkeitsteil hinein kondensiert und dabei immer weniger wird. Idealerweise berührt die beregnete Zone am Verflüssigungsboden die Außenwand und der Strömungsraum, also der nicht beregnete Raum seitlich von der Kondensationszone ist am Verflüssigerboden verschwunden und das maximale Volumen des Arbeitsdampfes ist kondensiert.
Je nach Implementierung kann die Füllhöhe der Füllkörper bzw. der Schüttung in der Vertikalen auch deutlich unter der Wasserzuführung liegen, wodurch dem Wasserdampf zusätzlich der Bereich oberhalb der Füllkörper zur Verfügung gestellt wird, in welchem es sich verteilen und gleichmäßig in den mit Füllkörpern ausgefüllten Raum eintreten kann. Je nach Wassermenge und zur Verfügung stehender Querschnittsfläche und Kondensationsleistung kann die Zuführung und Verteilung durch einen Abstand zwischen Wasserzuführung und Schüttung optimiert werden. Ein hoch optimierter Verflüssiger nutzt also die obere Zone und auch die Randschichtzone, um einen optimierten Kondensationsprozess im Verflüssiger zu erreichen.
Nachfolgend wird auf weitere wichtige Charakteristika der vorliegenden Erfindung eingegangen.
Die Kondensationszone eines Verflüssigers einerseits und die Dampfeinleitungszone des Verflüssigers andererseits sind so zueinander gestaltet, dass der zu kondensierende Dampf seitlich in die Kondensationszone eintritt. Damit wird, ohne das Volumen des Verflüssigers zu vergrößern, die tatsächliche Kondensation zu einer Volumenkondensation gemacht, weil der zu verflüssigende Dampf nicht nur frontal von einer Seite in ein Kondensationsvolumen bzw. in die Kondensationszone eingeleitet wird, sondern seitlich und vorzugsweise von allen Seiten. Damit wird nicht nur sichergestellt, dass das zur Verfügung gestellte Kondensationsvolumen bei gleichen äußeren Abmessungen im Vergleich zu einer direkten Gegenstromkondensation vergrößert wird, sondern dass gleichzeitig auch die Effizienz des Verflüssigers aus einem weiteren Grund verbessert wird.
Dieser Grund besteht darin, dass der zu verflüssigende Dampf in der Kondensationszone eine Stromrichtung quer zu einer Strömungsrichtung der Kondensationsflüssigkeit aufweist. Die Vorzugsrichtung des zu verflüssigenden Dampfes ist somit nicht entweder parallel zur Vorzugsrichtung der Arbeitsflüssigkeit oder antiparallel zur Vorzugsrichtung der Arbeitsflüssigkeit, sondern quer zu dieser. Damit wird sichergestellt, dass das zur Verfügung gestellte Kondensationsvolumen noch besser ausgenutzt wird. Ferner hat sichherausgestellt, dass die Erreichung des Querstroms bereits dadurch erfolgt, dass die Dampfeinleitung seitlich in die Kondensationszone stattfindet.
Die Umrichtung des Dampfstroms findet bereits aufgrund des Wirkungsmechanismus der Kondensation statt. Aufgrund der Umgebungsbedingungen im Kondensierer ist es so, dass die Dampfpartikel von den Flüssigkeitspartikeln gewissermaßen „angesaugt“ werden. Die Umlenkung stellt daher bereits einen Teil des Kondensationsprozesses dar, der gewissermaßen als „Vorstufe“ der eigentlichen Wärmeübertragung in die Arbeitsflüssigkeit stattfindet. Es hat sich herausgestellt, dass dieses „Ansaugen“ von Dampf in das Verflüssigervolumen hinein derart heftig stattfindet, dass dadurch eine effiziente Querstromerzeugung des Dampfes in der Kondensationszone erhalten wird, derart, dass der Dampf sogar nahezu parallel zur Arbeitsflüssigkeitsrichtung in der Kondensationszone eingeleitet werden kann. Aufgrund der seitlichen Einleitung findet jedoch unmittelbar dann, wenn die Kondensationszone beginnt, bzw. wenn der Dampf in die Nähe der Kondensationszone kommt, die Umlenkung statt, derart, dass die gewünschte Querstromrichtung in der Kondensationszone erhalten wird. Dies wird, wie es ausgeführt worden ist, dadurch erreicht, dass der Dampf nicht frontal, sondern seitlich und vorzugsweise komplett umlaufend in die Kondensationszone eingeführt wird. Ferner hat sich herausgestellt, dass eine zusätzliche Einleitung auf einer der beiden Frontalseiten der Kondensationszone nicht unbedingt nötig ist, und daher, wenn es konstruktiv Nutzen bringt, nicht unbedingt erfolgen muss. Die Einleitung des Dampfes seitlich in die Kondensationszone ist also derart effektiv, dass eine zusätzliche Einleitung an der oberen bzw. unteren Begrenzung der Kondensationszone nicht unbedingt zu erfolgen hat, jedoch erfolgen kann, wenn dies konstruktiv möglich ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Kondensationszone dadurch gebildet, dass in der Kondensationszone durch die Beregnungsanlage ein Rieseln von Flüssigkeitstropfen vorzugsweise von oben nach unten hauptsächlich aufgrund der Schwerkraft stattfindet. Die Dampfeinleitung findet in einem Bereich getrennt von der Erzeugung der Wassertropfen statt. Bei einem Ausführungsbeispiel wird die Erzeugung bzw. Einleitung von Wassertropfen durch ein Lochblech oben an der Kondensationszone erzeugt, und die Einleitung von Dampf findet in einem Bereich außerhalb der Erzeugung der Flüssigkeitstropfen statt.
Bei der vorliegenden Erfindung ist die Kondensationszone und der angrenzende Bereich bis zum Kondensierergehäuse mit Füllkörpern, wie beispielsweise Pallringen gefüllt, insbesondere werden Füllkörper bevorzugt, die eine relativ große Oberfläche haben, und die lose in der Kondensationszone angebracht sind, um dauernd ein Umlenken bzw. Verwirbeln der in der Kondensationszone befindlichen Flüssigkeit zu bewirken, derart, dass ein noch nicht kondensierter Dampf immer einen eher kühlen Bereich der Kondensationsflüssigkeit vorfindet und dort effizient kondensiert.
Die seitliche Dampfeinleitungszone ist ebenfalls mit Füllpartikeln gefüllt, die aufgrund der Vorgänge in der Kondensationszone ebenfalls mit Arbeitsflüssigkeit benetzt werden können, die jedoch nicht direkt „betropft“ werden. Aufgrund der energetisch sehr starken Vorgänge in dem Kondensierer werden nämlich Tropfen aus dem Kondensationszone herausgespritzt, und diese Tropfen werden noch dazu verwendet, die Effizienz des Verflüssigers weiter zu verbessern.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Dampfzuleitung vom Verdampfer durch den Verflüssiger hindurch ausgeführt und es befindet sich ein Kompressorrad zumindest teilweise oberhalb der Kondensationszone, jedoch von der Kondensationszone getrennt. Durch die geometrische Gestaltung der Ansaugzone des Kompressors und durch die Anordnung des Kompressors oberhalb des Verdampfers wird der Dampf nach oben gezogen. Im Kompressor selbst, der vorzugsweise mittels eines Radialrads ausgestaltet ist, wird der Dampf dann komprimiert. Die Verwendung des Radialrads führt jedoch gleichzeitig dazu, dass der Dampf seitlich bzw. nach außen umgelenkt wird. Es findet also gewissermaßen bereits eine 90-Grad-Umlenkung oberhalb der Kondensationszone statt. Durch eine weitere 90-Grad-Umlenkung, die einfach und insbesondere auch kompakt implementierbar ist, wird der komprimierte Dampf dann in die Dampfeinleitungszone eingeführt und gelangt von dort in die Kondensationszone, um dort zu kondensieren und durch die Kondensation seine Energie an die Arbeitsflüssigkeit im Verflüssiger abzugeben.
Alle diese Maßnahmen führen zu einem effizienten Verflüssiger, der trotz seines relativ kleinen Volumens eine hohe Verflüssigerleistung hat. Damit kann eine Wärmepumpe mit kleinen Abmessungen und beträchtlichen Leistungen erhalten werden.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:

1A eine schematische Ansicht einer Wärmepumpe mit einer verschränkten Verdampfer/Kondensierer -Anordnung;
1B eine Wärmepumpe mit einer Gasfalle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine Darstellung von Pallringen als bevorzugte Schüttkörper in verschiedenen Größen und Formen;
3 eine schematische Darstellung eines Verflüssigers mit Kondensationszone und Dampfeinleitungszone und teilweise beregnetem Bereich;
4A eine schematische Darstellung der Volumenkondensation mit Kreuzstrom zwischen Dampf und Flüssigkeit;
4B eine schematische Darstellung eines Schnitts durch den Verflüssiger mit geschütteten Turbulenzgeneratoren, wie beispielsweise Pallringen;
5 eine Schnittdarstellung einer Wärmepumpe mit einem Verdampferboden und einem Kondensatorboden gemäß dem Ausführungsbeispiel von 1;
6 eine perspektivische Darstellung eines Verflüssigers, wie er in der WO 2014072239 A1 gezeigt ist;
7 eine Darstellung der Flüssigkeitsverteilerplatte einerseits und der Dampfeinlasszone mit Dampfeinlassspalt andererseits aus der WO 2014072239 A1 ;
8a eine schematische Darstellung einer bekannten Wärmepumpe zum Verdampfen von Wasser;
8b eine Tabelle zur Veranschaulichung von Drücken und Verdampfungstemperaturen von Wasser als Arbeitsflüssigkeit;
9 eine schematische Darstellung einer Wärmepumpe mit einem Fremdgassammelraum im Kondensierer gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
10 einen Querschnitt durch eine Wärmepumpe mit verschränkter Verdampfer/Kondensierer-Anordnung;
11 eine 10 ähnliche Darstellung zur Erläuterung des Funktionsprinzips; und
12 eine Querschnittsdarstellung einer Wärmepumpe mit verschränkter Verdampfer/Kondensierer-Anordnung und einer kegelstumpfförmigen Trennwand.

1A zeigt einen Verflüssiger 306, der eine Füllung aufweist, die mit dem Bezugszeichen 50 dargestellt ist und doppeltschraffiert illustriert ist. Die Füllung umfasst vorzugsweise ein Schüttgut, wobei das Schüttgut z. B. Pallringe, Keramikringe, Metallringe oder Porzellanringe oder etwas Ähnliches aufweisen kann, wobei weitere Elemente für die Füllung Elemente umfassen, die für herunterströmende Arbeitsflüssigkeit als Turbulenzgeneratoren wirken und die gleichzeitig einen Dampfstrom erlauben, wie beispielsweise Stahlwolle.
Die Füllung 50 hat eine bezüglich einer Betriebsausrichtung des Kondensierers 306 definierte obere Begrenzung 50c, die in 1A lediglich schematisch als relativ gerade Linie dargestellt ist. In der Realität wird die obere Grenze keine gerade Linie sein, da die Füllkörper individuelle Abmessungen haben können, derart, dass bestimmte Teile der Füllkörper, die die obere Begrenzung 50c darstellen, eine wie auch immer geartete „gezackte“ Oberfläche der Füllung darstellen werden. Darüber hinaus umfasst der Kondensierer 306 eine in dem Gehäuse angeordnete Beregnungsanlage 60, in die zu erwärmende Arbeitsflüssigkeit zugeführt wird, und die ausgebildet ist, um nur einen ersten Teil, wie beispielsweise einen inneren Kreis 50a des Schüttguts bzw. der oberen Begrenzungsfläche der Füllung zu beregnen, während ein zweiter Teil 50b der oberen Begrenzungsfläche 50c nicht beregnet wird. Der zweite Teil 50b kann beispielsweise ein Kreisring sein, der sich um den ersten Teil 50a, der als Kreis ausgebildet sein kann, erstreckt. Darüber hinaus wird typischerweise bei dem in 1A gezeigten Ausführungsbeispiel sogar der erste Teil 50a ein Kreisring sein, weil in der Mitte, also dort, wo die Dampfansaugung durch einen Motor 110 stattfindet, ebenfalls kein Schüttgut angeordnet ist. Dies ist durch das Element 115, das gewissermaßen den „Ansaugmund“ für im Verdampferraum 102 verdampfte Arbeitsflüssigkeit darstellt, in der schematischen Draufsicht rechts in 1A dargestellt, die auch als Draufsicht auf den Kondensierer verstanden werden kann. Die Draufsicht wird z. B. erhalten, wenn der Betrachter bezüglich 1A unten an der Beregnungsanlage angeordnet ist und nach unten blickt. Erfindungsgemäß wird also der erste Teil 50a der Füllung beregnet, während der zweite Teil 50b der Füllung nicht beregnet wird. Darüber hinaus umfasst der Kondensierer eine Arbeitsdampfzuführungsanlage 70, die ebenfalls in dem Gehäuse 114 angeordnet ist und die ausgebildet ist, um einen Arbeitsdampf auf den zweiten Teil der oberen Begrenzungsfläche der Füllung zuzuführen.
1A zeigt eine Wärmepumpe 100 mit einem Verdampfer zum Verdampfen von Arbeitsflüssigkeit in einem Verdampferraum 102. Die Wärmepumpe umfasst ferner den Kondensator 306 zum Verflüssigen von verdampfter Arbeitsflüssigkeit in einem Kondensatorraum 104, der von einem Kondensatorboden 106 begrenzt ist. Wie es in 1A gezeigt ist, die als Schnittdarstellung oder als Seitenansicht angesehen werden kann, ist der Verdampferraum 102 zumindest teilweise von dem Kondensatorraum 104 umgeben. Ferner ist der Verdampferraum 102 durch den Kondensatorboden 106 von dem Kondensatorraum 104 getrennt. Darüber hinaus ist der Kondensatorboden mit einem Verdampferboden 108 verbunden, um den Verdampferraum 102 zu definieren. In einer Implementierung ist oberhalb am Verdampferraum 102 oder an anderer Stelle ein Kompressor 110 vorgesehen, der in 1A nicht näher ausgeführt ist, der jedoch prinzipiell ausgebildet ist, um verdampfte Arbeitsflüssigkeit zu komprimieren und als komprimierten Dampf 112 in den Kondensatorraum 104 zu leiten. Der Kondensatorraum ist ferner nach außen hin durch eine Kondensatorwand 114 begrenzt. Die Kondensatorwand 114 ist ebenfalls wie der Kondensatorboden 106 an dem Verdampferboden 108 befestigt. Insbesondere ist die Dimensionierung des Kondensatorbodens 106 in dem Bereich, der die Schnittstelle zum Verdampferboden 108 bildet, so, dass der Kondensatorboden bei dem in 1A gezeigten Ausführungsbeispiel vollständig von der Kondensatorraumwand 114 umgeben ist. Dies bedeutet, dass sich der Kondensatorraum, wie es in 1A gezeigt ist, bis zum Verdampferboden erstreckt, und dass sich der Verdampferraum gleichzeitig sehr weit nach oben, typischerweise nahezu durch fast den gesamten Kondensatorraum 104 erstreckt.
Diese „verschränkte“ oder ineinandergreifende Anordnung von Kondensator und Verdampfer, die sich dadurch auszeichnet, dass der Kondensatorboden mit dem Verdampferboden verbunden ist, liefert eine besonders hohe Wärmepumpeneffizienz und erlaubt daher eine besonders kompakte Bauform einer Wärmepumpe. Größenordnungsmäßig ist die Dimensionierung der Wärmepumpe z.B. in einer zylindrischen Form so, dass die Kondensatorwand 114 einen Zylinder mit einem Durchmesser zwischen 30 und 90 cm und einer Höhe zwischen 40 und 100 cm darstellt. Die Dimensionierung kann jedoch je nach erforderliche Leistungsklasse der Wärmepumpe gewählt werden, findet jedoch vorzugsweise in den genannten Dimensionen statt. Damit wird eine sehr kompakte Bauform erreicht, die zudem einfach und günstig herstellbar ist, weil die Anzahl der Schnittstellen, insbesondere für den fast unter Vakuum stehenden Verdampferraum ohne weiteres reduziert werden kann, wenn der Verdampferboden gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung dahin gehend ausgeführt wird, dass er sämtliche Flüssigkeits-Zu- und Ableitungen umfasst und damit keine Flüssigkeits-Zu- und Ableitungen von der Seite oder von oben nötig sind.
Ferner sei darauf hingewiesen, dass die Betriebsrichtung der Wärmepumpe so ist, wie sie in 1A gezeigt ist. Dies bedeutet, dass der Verdampferboden im Betrieb den unteren Abschnitt der Wärmepumpe definiert, jedoch abgesehen von Verbindungsleitungen mit anderen Wärmepumpen oder zu entsprechenden Pumpeneinheiten. Dies bedeutet, dass im Betrieb der im Verdampferraum erzeugte Dampf nach oben steigt und durch den Motor umgelenkt wird und von oben nach unten in den Kondensatorraum eingespeist wird, und dass die Kondensatorflüssigkeit von unten nach oben geführt wird, und dann von oben in den Kondensatorraum zugeführt wird und dann im Kondensatorraum von oben nach unten fließt, wie beispielsweise durch einzelne Tröpfchen oder durch kleine Flüssigkeitsströme, um mit dem vorzugsweise quer zugeführten komprimierten Dampf zu Zwecken einer Kondensation zu reagieren.
Diese ineinander „verschränkte“ Anordnung, dahin gehend, dass der Verdampfer fast vollständig oder sogar vollständig innerhalb des Kondensators angeordnet ist, ermöglicht eine sehr effiziente Ausführung der Wärmepumpe mit optimaler Platzausnutzung. Nachdem der Kondensatorraum sich bis zum Verdampferboden hin erstreckt, ist der Kondensatorraum innerhalb der gesamten „Höhe“ der Wärmepumpe oder zumindest innerhalb eines wesentlichen Abschnitts der Wärmepumpe ausgebildet. Gleichzeitig ist jedoch auch der Verdampferraum so groß als möglich, weil er sich ebenfalls nahezu fast über die gesamte Höhe der Wärmepumpe erstreckt. Durch die ineinander verschränkte Anordnung im Gegensatz zu einer Anordnung, bei der der Verdampfer unterhalb des Kondensators angeordnet ist, wird der Raum optimal genutzt. Dies ermöglicht zum einen einen besonders effizienten Betrieb der Wärmepumpe und zum anderen einen besonders platzsparenden und kompakten Aufbau, weil sowohl der Verdampfer als auch der Verflüssiger sich über die gesamte Höhe erstrecken. Damit geht zwar die „Dicke“ des Verdampferraums und auch des Verflüssigerraums zurück. Es wurde jedoch herausgefunden, dass die Reduktion der „Dicke“ des Verdampferraums, der sich innerhalb des Kondensators verjüngt, unproblematisch ist, weil die Hauptverdampfung im unteren Bereich stattfindet, wo der Verdampferraum nahezu das gesamte Volumen, das zur Verfügung steht, ausfüllt. Andererseits ist die Reduktion der Dicke des Kondensatorraums besonders im unteren Bereich, also dort wo der Verdampferraum nahezu den gesamten zur Verfügung stehenden Bereich ausfüllt, unkritisch, weil die Hauptkondensation oben stattfindet, also dort, wo der Verdampferraum bereits relativ dünn ist und damit ausreichend Platz für den Kondensatorraum zurücklässt. Die ineinander verschränkte Anordnung ist somit optimal dahin gehend, dass jedem Funktionsraum dort das große Volumen gegeben wird, wo dieser Funktionsraum das große Volumen auch benötigt. Der Verdampferraum hat unten das große Volumen, während der Kondensatorraum oben das große Volumen hat. Dennoch trägt auch das entsprechende kleine Volumen, das für den jeweiligen Funktionsraum dort verbleibt, wo der andere Funktionsraum das große Volumen hat, zu einer Effizienzsteigerung bei im Vergleich zu einer Wärmepumpe, bei der die beiden Funktionselemente übereinander angeordnet sind, wie es z.B. in der WO 2014072239 A1 der Fall ist.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen ist der Kompressor derart an der Oberseite des Kondensatorraums angeordnet, dass der komprimierte Dampf durch den Kompressor einerseits umgelenkt und gleichzeitig in einen Randspalt des Kondensatorraums eingespeist wird. Damit wird eine Kondensation mit besonders hoher Effizienz erreicht, weil eine Querstromrichtung des Dampfes zu einer herabfließenden Kondensationsflüssigkeit erreicht wird. Diese Kondensation mit Querströmung ist besonders im oberen Bereich, wo der Verdampferraum groß ist, wirksam und benötigt im unteren Bereich, wo der Kondensatorraum zugunsten des Verdampferraums klein ist, keinen besonders großen Bereich mehr, um dennoch eine Kondensation von bis zu diesem Bereich vorgedrungenen Dampfpartikeln zu erlauben.
Ein Verdampferboden, der mit dem Kondensatorboden verbunden ist, ist vorzugsweise so ausgebildet, dass er den Kondensator-Zu- und Ablauf und den Verdampfer-Zu- und Ablauf in sich aufnimmt, wobei zusätzlich noch bestimmte Durchführungen für Sensoren in den Verdampfer bzw. in den Kondensator vorhanden sein können. Damit wird erreicht, dass keine Durchführungen von Leitungen für den Kondensator-Zu- und Ablauf durch den nahezu unter Vakuum stehenden Verdampfer nötig sind. Dadurch wird die die gesamte Wärmepumpe weniger fehleranfällig, weil jede Durchführung durch den Verdampfer eine Möglichkeit für ein Leck darstellen würde. Dazu ist der Kondensatorboden an den Stellen, an denen die Kondensator-Zu- und Abläufe sind, mit einer jeweiligen Aussparung versehen, dahin gehend, dass in dem Verdampferraum, der durch den Kondensatorboden definiert wird, keine Kondensator-Zu/Abführungen verlaufen.
Der Kondensatorraum wird durch eine Kondensatorwand begrenzt, die ebenfalls an dem Verdampferboden anbringbar ist. Der Verdampferboden hat somit eine Schnittstelle sowohl für die Kondensatorwand als auch den Kondensatorboden und hat zusätzlich sämtliche Flüssigkeits-Zuführungen sowohl für den Verdampfer als auch den Verflüssiger.
Bei bestimmten Ausführungen ist der Verdampferboden ausgebildet, um Anschlussstutzen für die einzelnen Zuführungen zu haben, die einen Querschnitt haben, der sich von einem Querschnitt der Öffnung auf der anderen Seite des Verdampferbodens unterscheidet. Die Form der einzelnen Anschlussstutzen ist dann so ausgebildet, dass sich die Form bzw. Querschnittsform über der Länge des Anschlussstutzens verändert, jedoch der Rohrdurchmesser, der für die Strömungsgeschwindigkeit eine Rolle spielt, in einer Toleranz von ± 10 % nahezu gleich ist. Damit wird verhindert, dass durch den Anschlussstutzen fließendes Wasser zu kavitieren beginnt. Damit wird aufgrund der guten durch die Formung der Anschlussstutzen erhaltenen Strömungsverhältnisse sichergestellt, dass die entsprechenden Rohre/Leitungen so kurz wie möglich gemacht werden können, was wiederum zu einer kompakten Bauform der gesamten Wärmepumpe beiträgt.
Bei einer speziellen Implementierung des Verdampferbodens wird der Kondensatorzulauf nahezu in Form einer „Brille“ in einen zwei- oder mehrteiligen Strom aufgeteilt. Damit ist es möglich, die Kondensatorflüssigkeit im Kondensator an seinem oberen Abschnitt an zwei oder mehreren Punkten gleichzeitig einzuspeisen. Damit wird eine starke und gleichzeitig besonders gleichmäßige Kondensatorströmung von oben nach unten erreicht, die es ermöglicht, dass eine hocheffiziente Kondensation des ebenfalls von oben in den Kondensator eingeführten Dampfes erreicht wird.
Eine weitere kleiner dimensionierte Zuführung im Verdampferboden für Kondensatorwasser kann ebenfalls vorgesehen sein, um damit einen Schlauch zu verbinden, der dem Kompressormotor der Wärmepumpe Kühlflüssigkeit zuführt, wobei zur Kühlung nicht die kalte, dem Verdampfer zugeführte Flüssigkeit verwendet wird, sondern die wärmere, dem Kondensator zugeführte Flüssigkeit, die jedoch immer noch bei typischen Betriebssituationen kühl genug ist, um den Motor der Wärmepumpe zu kühlen.
Der Verdampferboden zeichnet sich dadurch aus, dass er eine Kombinationsfunktionalität hat. Zum einen stellt er sicher, dass keine Kondensatorzuleitungen durch den unter sehr geringem Druck stehenden Verdampfer hindurchgeführt werden müssen. Andererseits stellt er eine Schnittstelle nach außen dar, die vorzugsweise eine kreisrunde Form hat, da bei einer kreisrunden Form möglichst viel Verdampferfläche verbleibt. Alle Zu- und Ableitungen führen durch den einen Verdampferboden und laufen von dort in entweder den Verdampferraum oder den Kondensatorraum. Insbesondere eine Herstellung des Verdampferbodens aus Kunststoffspritzguss ist besonders vorteilhaft, weil die vorteilhaften relativ komplizierten Formgebungen der Zu/Ablaufstutzen in Kunststoffspritzguss ohne weiteres und preisgünstig ausgeführt werden können. Andererseits ist es aufgrund der Ausführung des Verdampferbodens als gut zugängliches Werkstück ohne weiteres möglich, den Verdampferboden mit ausreichender struktureller Stabilität herzustellen, damit er insbesondere dem niedrigen Verdampferdruck ohne weiteres standhalten kann.
In der vorliegenden Anmeldung betreffen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichwirkende Elemente, wobei nicht alle Bezugszeichen in allen Zeichnungen, sofern sie sich wiederholen, erneut dargelegt werden.
1B zeigt eine Wärmepumpe mit einer Gasfalle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das allgemein eine verschränkte Anordnung aus Verdampfer und Kondensierer oder aber jede andere Anordnung zwischen dem Verdampfer und dem Kondensierer haben kann.
Insbesondere umfasst die Wärmepumpe allgemein einen Verdampfer 300, der mit einem Verdichter 302 gekoppelt ist, um über eine Dampfleitung 304 kalten Arbeitsdampf anzusaugen, zu verdichten und damit zu erwärmen. Der erwärmte und verdichtete Arbeitsdampf wird an einen Kondensierer 306 abgegeben. Der Verdampfer 300 ist mit einem zu kühlenden Gebiet 308 gekoppelt, und zwar über eine Verdampferzulaufleitung 310 und eine Verdampferablaufleitung 312, in der typischerweise eine Pumpe 314 vorgesehen ist. Darüber hinaus ist ein zu wärmendes Gebiet 318 vorgesehen, das mit dem Kondensierer 306 gekoppelt ist, und zwar über eine Kondensiererzulaufleitung 320 und eine Kondensiererablaufleitung 322. Der Kondensierer 306 ist ausgebildet, um erwärmten Arbeitsdampf in dem Kondensiererzulaufkanal 305 zu kondensieren.
Ferner ist eine Gasfalle vorgesehen, die durch eine Fremdgaszuführung 325 mit dem Kondensierer 306 gekoppelt ist. Die Gasfalle umfasst insbesondere ein Gehäuse 330 mit einem Fremdgaszuführungseingang 332 und ggf. weiteren Fremdgaszuführungseingängen 334, 336. Ferner umfasst das Gehäuse 330 eine Arbeitsflüssigkeitszuleitung 338 sowie eine Arbeitsflüssigkeitsableitung 340. Die Wärmepumpe umfasst ferner eine Pumpe 342 zum Abpumpen von Gas aus dem Gehäuse 330. Insbesondere sind die Arbeitsflüssigkeitszuleitung 338, die Arbeitsflüssigkeitsableitung 340 und das Gehäuse so ausgebildet und angeordnet, dass im Betrieb eine Arbeitsflüssigkeitsströmung 344 von der Arbeitsflüssigkeitszuleitung 338 zu der Arbeitsflüssigkeitsableitung 340 in dem Gehäuse 330 stattfindet.
Die Arbeitsflüssigkeitszuleitung 338 ist ferner so mit der Wärmepumpe gekoppelt, dass im Betrieb der Wärmepumpe Arbeitsflüssigkeit zugeleitet wird, die kälter ist als ein zu kondensierender Arbeitsdampf im Kondensierer und die vorzugsweise sogar kälter als die Arbeitsflüssigkeit ist, die in den Kondensierer eintritt oder den Kondensierer verlässt. Hierzu wird vorzugsweise Arbeitsflüssigkeit aus der Verdampferablaufleitung bei einem Abzweigungspunkt 350 entnommen, da diese Arbeitsflüssigkeit die kälteste Arbeitsflüssigkeit im System ist. Der Abzweigpunkt 350 befindet sich nach der Pumpe 314 (in Flussrichtung), so dass für die Gasfalle keine eigene Pumpe nötig ist. Ferner wird es bevorzugt, den Rücklauf von der Gasfalle, also die Arbeitsflüssigkeitsableitung 340 mit einem Verzweigungspunkt 352 der Ablaufleitung zu koppeln, der vor der Pumpe 314 angeordnet ist.
Je nach Implementierung stellt der Arbeitsflüssigkeitsstrom durch die Gasfalle, also die Arbeitsflüssigkeitsströmung ein Volumen dar, das kleiner als 1 % des Hauptstroms, der durch die Pumpe 314 bewältigt wird, ist und vorzugsweise sogar in der Größenordnung von 0,5 bis 2 %o des Hauptstroms ist, der von dem Verdampfer über den Verdampferauslass 312 in das zu kühlende Gebiet 308 bzw. einen Wärmetauscher, an dem das zu kühlende Gebiet anschließbar ist, fließt.
Obgleich es in 1B dargestellt ist, dass die Arbeitsflüssigkeitsströmung aus einer Flüssigkeit im Wärmepumpensystem stammt, ist das nicht bei allen Ausführungsbeispielen so. Alternativ oder zusätzlich kann die Strömung auch durch einen externen Kreislauf bereitgestellt werden, also eine externe Kühlflüssigkeit. Diese kann durch die Gasfalle durchströmen und abgeführt werden, was bei Wasser ohnehin kein Problem ist. Wenn aber ein Kreislauf eingesetzt wird, läuft die Flüssigkeit am Ausgang der Gasfalle in einen Kühlbereich, wo die Flüssigkeit gekühlt wird. Hier kann eine Kühlung beispielsweise durch ein Peltierelement eingesetzt werden, so dass die in die Gasfalle eintretende Flüssigkeit kälter ist als die aus der Gasfalle austretende Flüssigkeit.
Wie es in 1B dargestellt ist, gelangt eine Mischung aus Arbeitsdampf und Fremdgasen von dem Kondensierer 306 über die Fremdgaszuführung 325 in das Gehäuse 330 der Gasfalle. Dort findet eine Kondensation des Arbeitsdampfes in dem Gasgemisch in der kalten Arbeitsflüssigkeit statt, wie es bei 355 angedeutet ist. Gleichzeitig kann sich jedoch Fremdgas nicht durch Kondensation entfernen, sondern das Fremdgas sammelt sich in der Gasfalle an, wie es bei 357 dargestellt ist. Um Raum für das angesammelte Fremdgas zu schaffen, umfasst das Gehäuse einen Ansammlungsraum 358, der beispielsweise oben angeordnet ist.
Aufgrund der Druckunterschiede zwischen dem Druck im Kondensierer 306 und der Gasfalle, die aufgrund der niedrigen Temperatur der Arbeitsflüssigkeit einen Druck in der Größenordnung des Verdampfers hat, findet automatisch eine Strömung vom Kondensierer 306 durch die Fremdgaszuführung 325 in das Gehäuse 330 der Gasfalle statt. Der Wasserdampf in dem Gemisch aus Fremdgas und Wasserdampf, der bei der Fremdgaszuführung 332, 334, 336 in das Gehäuse eintritt, hat die Tendenz, zu der kältesten Stelle hin zu strömen. Die kälteste Stelle ist dort, wo die Arbeitsflüssigkeit in das Gehäuse eintritt, also beim Arbeitsflüssigkeitseingang bzw. der Arbeitsflüssigkeitszuleitung 338. Es findet also in dem Gehäuse 330 eine Wasserdampfströmung von unten nach oben statt. Diese Wasserdampfströmung reißt die Fremdgasatome mit, die sich dann, wie es bei 357 angedeutet ist, oben in der Gasfalle ansammeln, weil sie nicht mit der Arbeitsflüssigkeit kondensieren können. Die Gasfalle führt also dazu, dass eine gewissermaßen automatische Strömung vom Kondensierer in das Gehäuse stattfindet, ohne dass hierzu eine Pumpe benötigt wird, und dass dann in der Gasfalle das Fremdgas von unten nach oben strömt und sich im oberen Bereich des Gehäuses 330 ansammelt und von dort durch die Pumpe 342 abgepumpt werden kann.
Wie es in 1B gezeigt ist, wird es bevorzugt, die Arbeitsflüssigkeitszuleitung 338 mit einem Pumpenausgang der Pumpe 314, also beim Verzweigungspunkt 350 zu koppeln. Je nach Implementierung kann jedoch eine beliebige andere, relativ kühle Flüssigkeit genommen werden, nämlich beispielsweise am Rücklauf des Verdampfers, also in der Leitung 310, in der das Temperaturniveau immer noch niedriger ist als im Kondensiererrücklauf 320 beispielsweise. Die kälteste Flüssigkeit im System bringt jedoch die größte Effizienz für die Gasfalle. Die Anordnung des Arbeitsflüssigkeitszulaufs 338, der mit dem Verzweigungspunkt 350 nach der Pumpe 314 gekoppelt ist, führt dazu, dass für die Arbeitsflüssigkeitszuleitung in die Gasfalle keine eigene Pumpe benötigt wird. Wird jedoch eine Pumpe vorgesehen, die allein oder als Zusatzfunktionalität die Gasfalle „bedient“, so kann die Arbeitsflüssigkeitszuleitung 338 auch mit einer anderen Stelle im System gekoppelt werden, um einen bestimmten Strom an Arbeitsflüssigkeit in die Gasfalle zu leiten. So könnte die Arbeitsflüssigkeit auch sogar nach einem Wärmetauscher, wie er z.B. Bezug nehmend auf 4 dargestellt ist, abgezweigt werden, also gewissermaßen auf der „Kundenseite“. Diese Vorgehensweise wird jedoch im Hinblick darauf, dass das System so wenig Kundenbeeinflussung als möglich haben sollte, nicht bevorzugt, ist aber grundsätzlich möglich.
Wie es in 1B gezeigt ist, ist die Pumpe 342 ausgebildet, um Gas aus dem Gehäuse 330 abzupumpen. Zu diesem Zweck ist die Pumpe 342 über eine Absaugleitung 371 mit dem Sammelraum 358 gekoppelt. Ausgangsseitig hat die Pumpe eine Ausstoßleitung 372, die ausgebildet ist, um das abgesaugte Gemisch aus angereichertem Fremdgas und restlichem Wasserdampf auszugeben. Je nach Implementierung kann die Leitung 372 einfach zur Umgebung offen sein oder in einen Behälter führen, wo der restlich verbleibende Wasserdampf kondensieren kann, um schließlich entsorgt oder in das System wieder eingeführt zu werden.
Die Pumpe 342 wird über eine Steuerung 373 angesteuert. Die Steuerung für die Pumpe kann aufgrund einer Druckdifferenz oder eines absoluten Drucks, aufgrund einer Temperaturdifferenz oder einer absoluten Temperatur oder aufgrund einer absoluten Zeitsteuerung oder einer Zeitintervallsteuerung stattfinden. Eine mögliche Steuerung ist beispielsweise über einen in der Gasfalle herrschenden Druck P_Falle 374. Eine alternative Steuerung findet über die Einlauftemperatur T_ein 375 an der Arbeitsflüssigkeitszuleitung 338 oder über eine Auslauftemperatur Taus 376 statt. Insbesondere ist die Auslauftemperatur Taus 376 an der Arbeitsflüssigkeitsableitung 340 ein Maß dafür, wieviel Wasserdampf von der Fremdgaszuführung 325 in die Arbeitsflüssigkeit kondensiert ist. Gleichzeitig ist der Druck in der Gasfalle P_Falle 374 ein Maß dafür, wieviel Fremdgas sich bereits angereichert hat. Mit zunehmendem angereichten Fremdgas steigt der Druck in dem Gehäuse 330 an, und bei Überschreiten eines bestimmten Drucks kann beispielsweise die Steuerung 373 aktiviert werden, um die Pumpe 342 einzuschalten, und zwar so lange, bis der Druck wieder in dem gewünschten niedrigen Bereich ist. Dann kann die Pumpe wieder ausgeschaltet werden.
Eine alternative Steuerungsgröße für die Pumpe ist beispielsweise die Differenz zwischen T_ein 375 und T_aus 376. Stellt sich beispielsweise heraus, dass die Differenz zwischen diesen beiden Werten kleiner als eine Minimaldifferenz ist, so heißt dies, dass aufgrund des angestiegenen Drucks in der Gasfalle kaum mehr Wasserdampf kondensiert. Daher ist es angezeigt, die Pumpe 342 einzuschalten, und zwar so lange, bis wieder eine Differenz oberhalb eines bestimmten Schwellenwerts vorhanden ist. Dann wird die Pumpe wieder ausgeschaltet.
Mögliche Messgrößen sind also Druck, Temperatur, z.B. an der Kondensationsstelle, ein Temperaturunterschied zwischen der Wasserzuführung und der Kondensationsstelle, eine treibende Druckerhöhung für den gesamten Kondensationsprozess etc. Wie es dargestellt ist, ist jedoch die einfachste Möglichkeit eine Steuerung über eine Temperaturdifferenz oder ein Zeitintervall, wofür keinerlei Sensoren nötig sind. Dies ist beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ohne weiteres möglich, weil die Gasfalle eine sehr effiziente Fremdgasanreicherung schafft und daher Probleme bezüglich einer zu hohen Extraktion von Arbeitsdampf aus dem System nicht vorhanden sind, wenn die Pumpe nicht ununterbrochen betrieben wird.
Wie es in 1A beispielsweise gezeigt ist, umfasst das Gehäuse 114 eine Seitenwand, durch die die Füllung 50 gehalten wird. Darüber hinaus wird bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Beregnungsanlage 60 so ausgebildet sein, dass der erste Teil der oberen Begrenzungsfläche eine runde Form oder eine ringartige Form hat. Darüber hinaus ist die Arbeitsdampfzuführungsanlage 70 ausgebildet, um über einen ringförmigen Spalt, der beispielsweise der Abmessung des zweiten Teils 50b entsprechen kann, den Arbeitsdampf bezüglich der Betriebsausrichtung des Kondensierers 306 von oben zuzuführen, wobei der ringförmige Spalt einen approximierten Innendurchmesser hat, der größer als ein approximierter Außendurchmesser eines ringförmigen Auslasses der Beregnungsanlage 60 ist.
Bei bevorzugten Implementierungen ist das Gehäuse 114 zylindrisch. Ferner ist die obere Begrenzung 50 der Füllung, abgesehen von Abweichungen aufgrund einzelner Schüttgutkörper im Wesentlichen eben.
Darüber hinaus ist der Innendurchmesser eines ringförmigen Auslasses der Arbeitsdampfzuführungsanlage 70 größer als ein Außendurchmesser einer ringförmigen oder kreisförmigen Beregnungsanlage 60.
Ferner ist die Füllhöhe des Schüttguts in dem ersten Teil 50a der Begrenzungsfläche und in dem zweiten Teil 50b der Begrenzungsfläche im Wesentlichen gleich. Ferner befindet sich in dem Kondensierergehäuse 114 bei dem in 1A gezeigten Ausführungsbeispiel der „verschränkten“ Anordnung ein Kanal für verdampfte Arbeitsflüssigkeit, der durch eine Wand 106 von dem Kondensierervolumen abgetrennt ist.
Vorzugsweise ist, wie es noch Bezug nehmend auf die 12 erläutert wird, auf der dort gezeigten Wand eine Abdeckung 902 angebracht, um zwischen der Wand und der Abdeckung einen Fremdgassammelraum zu bilden, der in Kommunikation mit einem Raum ist, in dem das Schüttgut angeordnet ist, wobei in dem Fremdgassammelraum kein Schüttgut angeordnet ist.
Darüber hinaus umfasst das Kondensierergehäuse 114 vorzugsweise einen flüssigkeitsdurchlässigen Zwischenboden, der beispielsweise bei 209 in 6 oder auch bei 209 in 12 gezeigt ist, durch den die Füllung bezüglich der Betriebsausrichtung des Kondensierers begrenzt ist, wobei unter dem Zwischenboden 209 ein Boden des Gehäuses angeordnet ist, in dem ein Verflüssiger-Ablauf angeordnet ist, um durch das Schüttgut herabgefallene Arbeitsflüssigkeit abzuführen. Vorzugsweise ist in dem Boden auch der Verflüssiger-zulauf angeordnet, um die Flüssigkeit, die durch die Beregnungsanlage auf die Füllung aufgebracht wird, dem Kondensierer zuzuführen.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist zwischen der oberen Begrenzungsfläche 50c der Füllung und einem Auslass der Arbeitsdampfzuführungsanlage 70 ein Abstand größer als 2 cm ausgebildet, so dass der Arbeitsdampf im Betrieb nicht nur in dem zweiten Teil der Begrenzungsfläche, sondern auch in einem Anteil oder dem gesamten ersten Teil der Begrenzungsfläche in die Füllung eintritt.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Beregnungsanlage 60 so ausgebildet, um den zweiten Teil 50b der Begrenzungsfläche nicht zu beregnen, wobei der zweite Teil eine Randzone der oberen Begrenzungsfläche 50 bildet, und wobei dieser Bereich eine Breite zwischen 1 und 5 cm hat oder eine Differenz zwischen dem Innendurchmesser und dem Außendurchmesser von 1 bis 5 cm hat. Bei einer entsprechenden Tiefe von beispielsweise 10 bis 20 cm führt eine solche Dimensionierung dazu, dass aufgrund der dargestellten radialen Aufweitung der Beregnungszone von oben nach unten der Randbereich am Boden des Kondensierers gewissermaßen „aufgebraucht“ ist, also der zweite Teil, jedoch nicht an der oberen Begrenzungsfläche, sondern an der unteren Begrenzungsfläche, also auf dem Boden 209 gewissermaßen gleich 0 ist, weil dort aufgrund der radialen Aufweitung der Beregnung, die durch das Auseinanderdriften der Arbeitsflüssigkeitstropfen bewirkt wird, keine Dampfeinleitungszone mehr existiert.
Bei weiteren Ausführungen ist die Füllung so ausgebildet, dass sich eine Turbulenzerzeugung in dem beregneten Bereich für herunterfließende Arbeitsflüssigkeit und eine Strömung für den Arbeitsdampf ergibt, wobei die Strömung für den Arbeitsdampf stärker laminar ist als eine Strömung der Arbeitsflüssigkeit durch die Füllung, die vorzugsweise aus einzelnen Füllkörpern besteht, die aus Kunststoff, Messing, Porzellan, Keramik oder einem anderen, vorzugsweise rostfreiem Metall gebildet sein können.
Ferner kann die Füllung aus grobstrukturierten Materialien bestehen, die nicht unbedingt eine Schüttung sein muss, sondern die beispielsweise auch als Stahlwolle bestehen kann.
Erfindungsgemäß wird damit ein Verflüssiger erreicht, bei dem die seitliche Dampfeinführung ohne die Notwendigkeit eines käfigartigen Begrenzungsobjekts erreicht wird. Dazu wird ein Verflüssiger mit dem Verflüssigergehäuse 114 erreicht, das mit Füllkörpern befüllt ist. Die Füllkörperschüttung füllt das komplette Verflüssigergehäuse, abgesehen von einem inneren Bereich, in dem bei einer beispielsweise verschränkten Anordnung der Verdampfer angeordnet ist, aus. Die Füllung befindet sich also sowohl in der Kondensationszone als auch in der Dampfeinlasszone. Die Flüssigkeitszufuhr erfolgt tröpfchenförmig von oben, wobei nur die Füllkörperschüttung in der Kondensationszone beregnet wird. Eine Randzone von 1 bis 5 cm, welche die Dampfeinlasszone bildet, wird nicht beregnet. Das Verflüssigergehäuse kann bis oben hin, also bis zur Höhe der Arbeitsflüssigkeitszuführung mit den Füllkörpern befüllt sein. Die Füllhöhe der Füllkörper kann aber auch deutlich unterhalb der Wasserzuführung enden. Bei der letzteren Ausgestaltungsvariante wird dem Wasserdampf zusätzlich der Bereich oberhalb der Füllkörper zur Verfügung gestellt, in welchem er sich verteilen kann, um dann gleichmäßig in den mit Füllkörpern befüllten Raum einzutreten.
Der Arbeitsdampf wird entlang des unberegneten Teils der Füllkörperschüttung, welcher die Dampfeinleitungszone bildet, eingebracht, wobei zumindest ein Teil des nicht beregneten Bereichs, und vorzugsweise der gesamte nicht beregnete Bereich die Dampfeinleitungszone bildet. Vorzugsweise sind die Füllkörper, die die Schüttung umfassen, nicht vollständig benetzt, um den freien Durchgang von Dampf nicht zu behindern. Hierzu können die Füllkörper eine grobe Struktur aufweisen. Die Füllung kann also beispielsweise Stahlwolle, Pallringe oder ähnliche Elemente haben. Für die Geometrie der Füllkörper wird bevorzugt, dass eine Turbulenzerzeugung in der Arbeitsflüssigkeit erreicht wird, während eine laminarere oder eine stark laminare Durchströmung des Arbeitsdampfes erhalten wird.
Weitere bevorzugte Ausführungen im Hinblick auf die Dimensionierung des Kondensierers bestehen darin, dass die Höhe des Schüttgutes in dem Gehäuse 114 zwischen 10 und 40 cm ist, oder dass der Durchmesser des Gehäuses zwischen 20 und 80 cm ist, oder dass ein Außendurchmesser eines Auslasses der Beregnungsanlage zwischen 15 und 70 cm ist, und/oder dass ein Innendurchmesser eines Auslasses der Arbeitsdampfzuführungsanlage zwischen 16 und 71 cm ist.
3 zeigt einen schematischen Verflüssiger gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Der Verflüssiger umfasst eine Kondensationszone 904 zum Kondensieren von zu kondensierenden Dampf in einer Arbeitsflüssigkeit, wobei die Kondensationszone als Volumenzone ausgebildet ist. Insbesondere umfasst die Kondensationszone ein oberes Ende 904a, ein unteres Ende 904b und eine seitliche Begrenzung 904c. Die seitliche Begrenzung ist zwischen dem oberen und dem unteren Ende angeordnet. Der Verflüssiger umfasst ferner eine Dampfeinleitungszone 102, die sich entlang des seitlichen Endes 100c der Kondensationszone 100 erstreckt und ausgebildet ist, um zu kondensierenden Dampf seitlich über die seitliche Begrenzung 100c der Kondensationszone 100 in die Kondensationszone 100 zuzuführen. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Kondensationszone einerseits zylinderförmig und ist die Dampfeinleitungszone andererseits in Form eines Ringzylinders ausgebildet, der innen hohl ist, wobei das hohle Innere der Dampfeinleitungszone durch die Kondensationszone geformt wird. Sowohl die Kondensationszone als auch die Dampfeinleitungszone müssen jedoch nicht unbedingt im Querschnitt ringförmig sein, sondern können im Querschnitt eine andere runde Form, wie beispielsweise eine elliptische Form oder eine andere abgerundete Form haben. Die Kondensationszone und die Dampfeinleitungszone können im Querschnitt sogar, je nach Ausführungsform der nötigen äußeren Begrenzung eckig sein, obgleich eine runde Form und insbesondere eine runde Form mit kreisrunden Querschnittsbegrenzungen bevorzugt wird.
Ferner wird es bevorzugt, die Kondensationszone so zu formen, dass die Fläche der seitlichen Begrenzung der Kondensationszone größer als eine Fläche der oberen oder unteren Begrenzung ist. Die Form der Kondensationszone kann daher zylindrisch bzw. quaderförmig sein, wobei die Höhe vorzugsweise größer als ein Durchmesser bzw. eine Diagonale etc. ist.
Darüber hinaus ist in 3 dargestellt, dass sich die Dampfeinleitungszone komplett seitlich um die Kondensationszone herum erstreckt. Diese komplette Erstreckung der Dampfeinleitungszone um die Kondensationszone herum wird bevorzugt, weil damit die volumenmäßige Kondensation in der Volumen-Kondensationszone optimal ausgenutzt wird. Gleichzeitig findet jedoch aufgrund der seitlichen Dampfeinleitung in die Kondensationszone eine Kondensation in Querstromrichtung statt, dahin gehend, dass der Dampf, der in die Kondensationszone eintritt, einerseits und die Bewegung der Kondensiererflüssigkeit in der Kondensationszone andererseits weder parallel noch antiparallel gerichtet sind, sondern einen Winkel zueinander haben, der vorzugsweise im Bereich von 90 Grad liegt und jedoch bereits bei Winkeln zwischen 10 Grad und 170 Grad deutliche Verbesserungen gegenüber einer parallelen Ausrichtung mit sich bringt. Besonders bevorzugt wird der Bereich um 90 Grad herum, der sich vorzugsweise zwischen 60 und 150 Grad erstreckt, wobei diese Gradangaben den Winkel angeben, in dem sich die Dampfstromrichtung einerseits und die Flüssigkeitsbewegungsrichtung andererseits in oder am Rand der Kondensationszone befinden. Die Dampfeinleitungszone muss sich daher nicht um den kompletten seitlichen Rand der Kondensationszone herum erstrecken, sondern könnte z. B. nur die Hälfte oder einen bestimmten Sektor der seitlichen Begrenzung der Kondensationszone erfassen, wobei jedoch ein kompletter Umlauf bevorzugt wird.
6 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Verflüssigers, wobei der Verflüssiger in 6 eine Dampfeinleitungszone 102 aufweist, die sich vollständig um die Kondensationszone 904 herum erstreckt. Insbesondere ist in 6 ein Teil eines Verflüssigers dargestellt, der einen Verflüssigerboden 200 aufweist. Auf dem Verflüssigerboden ist ein Verflüssigergehäuseabschnitt 202 angeordnet, der aufgrund der Darstellung in 6 durchsichtig gezeichnet ist, der jedoch in Natur nicht unbedingt durchsichtig sein muss, sondern z. B. aus Kunststoff, Aluminiumdruckguss oder etwas Ähnlichem gebildet sein kann. Das seitliche Gehäuseteil 202 liegt auf einem Dichtungsgummi 201 auf, um eine gute Abdichtung mit dem Boden 200 zu erreichen. Ferner umfasst der Verflüssiger einen Flüssigkeitsablauf 203 sowie einen Flüssigkeitszulauf 204 sowie eine in dem Verflüssiger zentral angeordnete Dampfzuführung 205, die sich von unten nach oben in 6 verjüngt. Es sei darauf hingewiesen, dass 6 die eigentlich gewünschte Aufstellrichtung einer Wärmepumpe und eines Verflüssigers dieser Wärmepumpe darstellt, wobei in dieser Aufstellrichtung in 6 der Verdampfer einer Wärmepumpe unterhalb des Verflüssigers angeordnet ist. Die Kondensationszone 904 wird nach außen durch eine schematische Grenze 207 begrenzt, die eine annähernde Begrenzung des beregneten Bereichs darstellt.
Ferner ist ein Gitter 209 angeordnet, das ausgebildet ist um Füllkörper, die in 6 nicht gezeigt sind, zu tragen. Der gesamte Bereich auf dem Gitter 209 ist bis zu einer Höhe mit einer Füllung aus Schüttgut oder Füllkörper, wie beispielsweise Pallringe, wie sie in 2 dargestellt sind, gefüllt. Diese Füllkörper werden in die Kondensationszone eingebracht, und zwar in den Bereich 207, und in die Dampfeinleitungszone 102.
Damit ergibt sich eine Situation, wie sie z. B. in 4b dargestellt ist, bei der sich die Füllkörper 50 innerhalb des Bereichs 207 und außerhalb des Bereichs bis zu einer gewissen hohen Höhe erstrecken. In dem Bereich, in dem die Turbulenzgeneratoren bzw. Füllkörper aufgeschüttet sind, findet eine Kondensation statt, und zwar aufgrund der Tropfen, die durch die Beregnungsanlage in den Bereich 207 eingebracht werden.
Der Verflüssiger von 6 umfasst einen Arbeitsflüssigkeitszuführer bzw. die Beregnungsanlage 60, die insbesondere durch die Arbeitsflüssigkeitszuführung 204, die, wie es in 6 gezeigt ist, gewunden um die Dampfzuführung in Form einer aufsteigenden Windung angeordnet ist, durch einen Flüssigkeitstransportbereich 210 und durch ein Flüssigkeitsverteilerelement 212 gebildet wird, das beispielweise als Lochblech ausgebildet ist. Insbesondere ist der Arbeitsflüssigkeitszuführer also ausgebildet, um die Arbeitsflüssigkeit in die Kondensationszone zuzuführen.
Darüber hinaus ist auch der Dampfzuführer 70 vorgesehen, der sich, wie es in 6 gezeigt ist, vorzugsweise aus dem trichterförmig sich verjüngenden Zuführungsbereich 205 und dem oberen Dampfführungsbereich 213 zusammensetzt. In dem Dampfleitungsbereich 213 wird vorzugsweise ein Rad eines Radialkompressors eingesetzt und die Radialkompression führt dazu, dass durch die Zuführung 205 Dampf von unten nach oben gesaugt wird und dann aufgrund der Radialkompression durch das Radialrad bereits gewissermaßen 90 Grad nach außen umgelenkt wird, also von einer Strömung von unten nach oben zu einer Strömung von der Mitte nach außen in 6 bezüglich des Elements 213.
In 6 nicht gezeigt ist ein weiterer Umlenker, der den bereits nach außen umgelenkten Dampf noch einmal um 90 Grad umlenkt, um ihn dann von oben in den Spalt 215 zu leiten, der gewissermaßen den Beginn der Dampfeinleitungszone darstellt, die sich seitlich um die Kondensationszone herum erstreckt. Der Dampfzuführer ist daher vorzugsweise ringförmig ausgebildet und mit einem ringförmigen Spalt zum Zuführen des zu kondensierenden Dampfes versehen, wobei die Arbeitsflüssigkeitszuführung innerhalb des ringförmigen Spalts ausgebildet ist.
Zur Veranschaulichung wird auf 7 verwiesen. 7 zeigt eine Ansicht des „Deckelbereichs“ des Verflüssigers von 6 von unten. Insbesondere ist das Lochblech 212 von unten schematisch dargestellt, das als Flüssigkeitsverteilerelement wirkt. Der Dampfeinlassspalt 215 ist schematisch gezeichnet, und es ergibt sich aus 6, dass der Dampfeinlassspalt lediglich ringförmig ausgebildet ist, derart, dass in die Kondensationszone direkt von oben bzw. direkt von unten kein zu kondensierender Dampf eingespeist wird, sondern nur seitlich herum. Durch die Löcher des Verteilerblechs 212 fließt somit lediglich Flüssigkeit, jedoch kein Dampf. Der Dampf wird erst seitlich in die Kondensationszone „eingesaugt“, und zwar aufgrund der Flüssigkeit, die durch das Lochblech 212 hindurchgetreten ist. Die Flüssigkeitsverteilerplatte kann aus Metall, Kunststoff oder einem ähnlichen Material ausgebildet sein und ist mit unterschiedlichen Lochmustern ausführbar.
Ferner wird es, wie es in 6 gezeigt ist, bevorzugt eine seitliche Begrenzung für aus dem Element 210 fließende Flüssigkeit vorzusehen, wobei diese seitliche Begrenzung mit 217 bezeichnet ist. Damit wird sichergestellt, dass Flüssigkeit, die aus dem Element 210 aufgrund der geschwungenen Zuführung 204 bereits mit einem Drall austritt und sich von innen nach außen auf dem Flüssigkeitsverteiler verteilt, nicht über den Rand in die Dampfeinleitungszone spritzt, sofern die Flüssigkeit nicht bereits vorher durch die Löcher der Flüssigkeitsverteilerplatte getropft und mit Dampf kondensiert ist.
4a zeigt eine alternative Implementierung des Verflüssigers, bei dem die Arbeitsflüssigkeit von unten zugeführt wird und der Dampf von oben zugeführt wird. Auch für die gegenstromige Zuführung von Dampf und Arbeitsflüssigkeit kann der erfindungsgemäße Verflüssiger eingesetzt werden, da in der Dampfeinleitungszone 102 der Dampf gewissermaßen automatisch in die Kondensationszone 904 hineingelenkt wird, um die Querstrom-Volumen-Kondensation zu erreichen. Im Einzelnen ist in 4a wieder eine Verteilerplatte 212 im Querschnitt dargestellt. Ferner wird eine Arbeitsflüssigkeit zugeführt, und zwar auf die Verteilerplatte 212, wobei die Flüssigkeit dann durch die Löcher der Verteilerplatte in Tröpfchenform in die Kondensationszone 904 eintritt und letztendlich dafür verantwortlich ist, dass die Kondensationszone die Funktionalität der Kondensation hat. Zu den in der Kondensationszone befindlichen Tropfen wird Dampf über den Dampfeinlassspalt, der beispielsweise in Form des Einlassspaltes 215 von 7 ausgebildet sein kann, zugeführt, und der Dampf wird aufgrund der Anwesenheit des Kondensationspartners in Form der Flüssigkeit innerhalb der Kondensationszone umgelenkt, wie es durch die gekrümmten Dampfflussrichtungen 220 angedeutet ist.
Die 4a zeigt einen Verflüssiger, bei dem die Kondensationszone und der Bereich darüber hinaus mit Füllkörpern 208 gefüllt ist. Diese Füllkörper wirken als Turbulenzgeneratoren inner-halb der Kondensationszone, da sie die durch Kondensation erwärmte Arbeitsflüssigkeit in Turbulenz versetzen bzw. umlenken und vermischen, so dass ein zur Kondensation bereiter Dampfpartikel immer möglichst einen kälteren Bereich einer Kondensationsflüssigkeit findet, um mit diesem effizient zu kondensieren, also um diesem seine Energie zu übertragen.
Anhand von 4a wurde dargestellt, dass die Beregnungsanlage bzw. Arbeitsflüssigkeitszuführung 60 vorzugsweise so ausgebildet ist, dass tropfenförmige Arbeitsflüssigkeit aufgrund der Schwerkraft von oben nach unten bezüglich der Schwerkraft die Kondensationszone durchläuft.
Ferner weist die Arbeitsflüssigkeitszuführung ein Rohr zum Liefern der Arbeitsflüs-sigkeit von unten nach oben sowie die Verteilerplatte 212 auf, die an einem Rohrende befestigt ist, um die Arbeitsflüssigkeit über ein gesamtes oberes Ende der Kondensationszone zu verteilen, wobei die Verteilerplatte 212 Öffnungen aufweist, die so ausgebildet sind, dass durch diese Öffnungen eine auf der Verteilerplatte fließende Arbeitsflüssigkeit durchtritt und flächig in die Kondensationszone rieselt.
Das Verflüssigergehäuse114, das beispielsweise in 6 gezeigt ist, erstreckt sich um den inneren Bereich, also um die Kondensationszone herum, die durch die Begrenzung 207 der Beregnung abgegrenzt ist, wobei jedoch zwischen der Begrenzung 207 und dem Gehäuse der Dampfeinlassspalt 215 vorhanden ist, der die Dampfeinleitungszone darstellt.
Ferner sind, wie es anhand von 4b dargestellt worden ist, in dem Gehäuse 114 Gegenstände angeordnet, die durch die Arbeitsflüssigkeit, die sich durch die Kondensationszone bewegt, benetzt werden, wobei die Gegenstände so ausgebildet sind, dass die benetzte Arbeitsflüssigkeit verwirbelt wird.
Die Gegenstände umfassen geschüttete Kunststoffeinzelteile, die so aufeinander angeordnet sind, dass sich zwischen den Gegenständen die Flüssigkeit einerseits und der zu kondensierende Dampf andererseits bewegen können.
Insbesondere ist die Abgrenzung des Bereichs bzw. die Abgrenzung der Kondensationszone 904 durch die schematische Grenze 207 gebildet. Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Durchmesser des gesamten Verflüssigers im Bereich von 400 mm. Es können jedoch bereits effiziente Verflüssiger mit Durchmessern zwischen 300 mm und 1000 mm hergestellt werden.
2 zeigt als bevorzugte Implementierung der Füllkörper sogenannte Pallringe. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass sie ein gewisses Volumen darstellen, jedoch dieses Volumen nicht vollständig ausfüllen, wie beispielsweise vollvolumige Zylinder oder Ähnliches, sondern dieses Volumen lediglich füllen, ohne jedoch den Durchgang für Wasser einerseits und Dampf andererseits zu verhindern. Hierzu umfassen Pallringe kreisförmige Stege 2600, 2700, 2800, die über vertikale Stege 2900 miteinander verbunden sind. Ferner sind die vertikalen Stege 2900 sternförmig verbunden, wie es durch das Element 3000 gezeigt ist, das insgesamt einen solchen Stern darstellt, der zum einen die vertikalen Stege 2900 umfasst und zum anderen eine Verbindung dieser vertikalen Stege in der Mitte.
Genauso könnten jedoch auch Hohlzylinder, Hohlquader oder ähnliche Elemente verwendet werden, die ein bestimmtes Volumen belegen, jedoch relativ viel Raum freilassen, so dass diverse Kanten und Stege vorhanden sind. Diese Kanten und Stege dienen dazu, dass Arbeitsflüssigkeit, die durch diese Füllkörper läuft, ständig Turbulenzen und Verwirbelungen ausgesetzt wird, so dass ein warmer Bereich eines Arbeitsflüssigkeitstropfen beispielsweise, der gerade eine Kondensation hinter sich hat, wieder verwirbelt wird, so dass sich jedem Dampfpartikel, der kondensieren möchte, ein möglichst kalter Bereich der Arbeitsflüssigkeit anbietet.
5 zeigt eine komplette Wärmepumpe in Schnittdarstellung, die sowohl den Verdampferboden 108 als auch den Kondensatorboden 106 umfasst. Wie es in 5 oder auch in 1 gezeigt ist, hat der Kondensatorboden 106 einen sich verjüngenden Querschnitt von einem Zulauf für die zu verdampfende Arbeitsflüssigkeit zu einer Absaugöffnung 115, die mit dem Kompressor bzw. Motor 110 gekoppelt ist, wo also das vorzugsweise verwendete Radialrad des Motors den im Verdampferraum 102 erzeugten Dampf absaugt.
5 zeigt einen Querschnitt durch die gesamte Wärmepumpe. Insbesondere ist innerhalb des Kondensatorbodens ein Tropfenabscheider 404 angeordnet. Dieser Tropfenabscheider umfasst einzelne Schaufeln 405. Diese Schaufeln sind, damit der Tropfenabscheider an Ort und Stelle bleibt, in entsprechenden Nuten 406 eingebracht, die in 5 gezeigt sind. Diese Nuten sind in dem Kondensatorboden in einem Bereich, der zu dem Verdampferboden hin gerichtet ist, in der Innenseite des Verdampferbodens angeordnet. Darüber hinaus hat der Kondensatorboden ferner diverse Führungsmerkmale, die als Stäbchen oder Zungen ausgebildet sein können, um Schläuche zu halten, die für eine Kondensatorwasserführung beispielsweise vorgesehen sind, die also auf entsprechende Abschnitte aufgesteckt werden und die Einspeisepunkte der Kondensatorwasserzuführung ankoppeln. Diese Kondensatorwasserzuführung 402 kann je nach Implementierung so ausgebildet sein, wie es in den 6 und 7 bei den Bezugszeichen 102, 207 bis 250 gezeigt ist. Ferner hat der Kondensator vorzugsweise eine Kondensatorflüssigkeitsverteilungsanordnung, die zwei oder auch mehr Einspeisepunkte aufweist. Ein erster Einspeisepunkt ist daher mit einem ersten Abschnitt eines Kondensatorzulaufs verbunden. Ein zweiter Einspeisepunkt ist mit einem zweiten Abschnitt des Kondensatorzulaufs verbunden. Sollten mehr Einspeisepunkte für die Kondensatorflüssigkeitsverteilungseinrichtung vorhanden sein, so wird der Kondensatorzulauf in weitere Abschnitte aufgeteilt sein.
Der obere Bereich der Wärmepumpe von 5 kann somit genauso wie der obere Bereich in 6 ausgebildet sein, dahin gehend, dass die Kondensatorwasserzuführung über das Lochblech von 6 und 7 stattfindet, so dass abwärts rieselndes Kondensatorwasser 408 erhalten wird, in das der Arbeitsdampf 112 vorzugsweise seitlich eingeführt wird, so dass die Querstrom-Kondensation, die eine besonders hohe Effizienz erlaubt, erhalten werden kann. Wie es auch in 6 dargestellt ist, ist die Kondensationszone mit einer Füllung versehen, bei der der Rand 207, der auch mit 409 bezeichnet ist, nicht beregnet wird, wobei der Arbeitsdampf 112 nicht nur oben, sondern auch unten noch seitlich in die Kondensationszone eindringen kann. Die gedachte Begrenzungslinie 410 soll das in 5 veranschaulichen. Bei dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist jedoch der gesamte Bereich des Kondensators mit einem eigenen Kondensatorboden 200 ausgebildet, der oberhalb eines Verdampferbodens angeordnet ist.
Nachfolgend wird Bezug nehmend auf 9 eine Wärmepumpe gemäß einem Ausführungsbeispiel beschrieben Die Wärmepumpe umfasst einen Kondensierer 306, der genauso ausgebildet sein kann, wie der vorstehend beschriebene Kondensierer zum Kondensieren von erwärmtem bzw. verdichtetem Arbeitsdampf, der über die Leitung 305 für erwärmten Arbeitsdampf dem Kondensierer 306 zugeführt wird. Der Kondensierer 306 umfasst einen Fremdgassammelraum 900, der in dem Kondensierer 306 angeordnet ist. Der Fremdgassammelraum umfasst eine Kondensationsoberfläche 901a, 901b, die im Betrieb kälter als eine Temperatur des zu kondensierenden Arbeitsdampfes ist. Ferner umfasst der Fremdgassammelraum 900 eine Trennwand 902, die zwischen der Kondensationsoberfläche 901a, 901b und einer Kondensationszone 904 in dem Kondensierer 306 angeordnet ist. Darüber hinaus ist eine Fremdgasabführungseinrichtung 906 vorgesehen, die mit dem Fremdgassammelraum 900 beispielsweise über die Fremdgaszuführungsleitung 325 gekoppelt ist, um Fremdgas aus dem Fremdgassammelraum 900 abzuführen. Die Fremdgasabführungseinrichtung 906 umfasst beispielsweise eine Kombination aus einer Pumpe, wie beispielsweise der Pumpe 342, aus einer Ansaugleitung 371 und aus einer Ausstoßleitung 372, wie sie in 1B beschrieben ist. Dann würde aus dem Fremdgassammelraum gewissermaßen direkt nach außen abgesaugt werden.
Alternativ ist die Fremdgasabführungseinrichtung 906 als Gasfalle ausgebildet, mit dem Gehäuse und dem Zu/Ableitungen, wie sie anhand von 1B beschrieben worden ist.
Dann würde die Fremdgasabführungseinrichtung zusätzlich zu der Pumpe 342, der Ansaugleitung 371 und der Ausstoßleitung 372 auch die Gasfalle umfassen. Dies würde eine gewissermaßen „indirekte“ Fremdgasabführung darstellen, bei der zunächst aus dem Fremdgassammelraum bereits angereichertes Fremdgas zusammen mit Arbeitsdampf in die Gasfalle gebracht wird, wo die Anreicherung von Fremdgas durch weitere Kondensation von Arbeitsdampf noch erhöht wird, bis dann durch die Pumpe abgesaugt wird. Es kann also eine gewissermaßen zweistufige Anreicherung von Fremdgas erreicht werden, also eine erste Anreicherung im Fremdgassammelraum 900 und eine zweite Anreicherung im Fremdgasanreicherungsraum 358 der Gasfalle von 1B, bevor dann Fremdgas abgesaugt wird. Alternativ kann jedoch auch eine einstufige Fremdgasanreicherung stattfinden, nämlich entweder durch den Fremdgassammelraum 900 von 9, aus dem dann direkt abgesaugt wird, also ohne dazwischenliegende Gasfalle mit Gasfallengehäuse 330, oder, alternativ, durch eine Absaugung aus dem Kondensierer 306 ohne Fremdgassammelraum 900, wie es anhand von 1B beispielsweise beschrieben worden ist.
10 zeigt eine schematische Anordnung einer Wärmepumpen mit verschränkter Ausführung, wie sie beispielsweise in 1 und 5 dargestellt ist. Insbesondere ist der Verdampferraum 102 innerhalb des Kondensiererraums 104 angeordnet. Der Dampf wird über eine Dampfzuführung 1000, nachdem er durch einen Motor, der in 10 nicht gezeigt ist, komprimiert worden ist, seitlich, wie es bei 112 gezeigt ist, in die Kondensationszone 904 zugeführt. Darüber hinaus ist eine, bei dem in 10 gezeigten Ausführungsbeispiel etwa kegelstumpfförmige, Trennwand 902 im Querschnitt dargestellt, die die Kondensationszone 904 von der Kondensationsoberfläche 106, die durch den Kondensatorboden gebildet ist, und von der weiteren Kondensationsoberfläche 901b, die durch die Wasser- bzw. Kondensiererflüssigkeitszuführung 402 gebildet ist, getrennt. Damit ergibt sich zwischen der Trennwand 902 einerseits und der Oberfläche 106, die auch der Kondensationsoberfläche 901a von 9 entspricht, und dem oberen Bereich 901b der Wasserzuführung 402 der Fremdgassammelraum 900, der im Vergleich zu den Verhältnissen in den Kondensationszone 904 ein beruhigte Zone darstellt.
Die Trennwand 901a hat auf der dem Kondensator zugewandten Seite eine Temperatur unterhalb der Sattdampftemperatur im Kondensator. Außerdem hat die Trennwand 901a auf der dem Verdampfer zugewandten Seite eine Temperatur über der dort herrschenden Sattdampftemperatur. Damit wird sichergestellt, dass der Saugmund bzw. Dampfkanal trocken ist und keine Wassertropfen im Dampf vorhanden sind, insbesondere dann, wenn der Verdichtermotor aktiviert wird. Damit wird vermieden, dass das Impellerrad durch Tropfen im Dampf beschädigt wird.
Insbesondere lässt die Wasserdampfzuführung ständig Wasserdampf 112 zuströmen, wobei hierbei Größenordnungen von typischerweise wenigstens 1 I Wasserdampf pro Sekunde zuströmen. Der Druck des Wasserdampfes ist gleich oder höher als der resultierende Sattdampfdruck des durch die Wasserzuführung 402 zugeführten Kondensiererwassers, das auch mit 1002 in 10 bezeichnet ist. Hier fließen typischerweise wenigstens 0,1 l/s an Kondensiererarbeitsflüssigkeit 1002 zu. Die Kondensiererflüssigkeit strömt oder fällt vorzugweise möglichst turbulent herunter und der zugeführte Wasserdampf 112 kondensiert bereits größtenteils in das bewegte Wasser. Der Wasserdampf verschwindet also im Wasser und übrig bleibt das Fremdgas. Die Trennwand 902 leitet das kondensierte Wasser und das zugeströmte Wasser nach unten ab und sorgt gleichzeitig für die beruhigte Zone, durch die sich der Fremdgassammelraum 900 ergibt. Diese Zone bildet sich unter der Trennwand 902 aus. Hier findet die Fremdgasanreicherung statt.
Eine Funktionalitätsdarstellung ist in 11 gegeben. Hier ist insbesondere dargestellt, dass ein kleiner Teil des Wasserdampfes zu der kalten Wasserdampfzuführung 901b strömt, um dort zu kondensieren. Vorzugsweise ist dieser Bereich 901b der Wassserzuführung, in der im Kondensierer zu erwärmende Arbeitsflüssigkeit, die Wasser sein kann, jedoch nicht unbedingt sein muss, die eher relativ kalte Stelle im Kondensierer. Diese Wasserdampfzuführung ist ferner vorzugsweise aus Metall gebildet, das eine gute Wärmeleitfähigkeit hat, so dass die kleine Menge an Wasserdampf 1010, die in dem beruhigten Raum, d.h. in dem Fremdgassammelraum nach oben fließt, eine „kalte Oberfläche“ „sieht“. Gleichzeitig sei jedoch darauf hingewiesen, dass auch die Wand des Verdampfer-Saugmunds, die mit 901a bezeichnet ist, ebenfalls relativ kalt ist. Obgleich diese Wand vorzugsweise aus Kunststoff ausgebildet ist, aufgrund der leichteren Formbarkeit, das einen relativ schlechten Wärmeleitungsfähigkeitskoeffizienten hat, ist dennoch der Verdampferraum 102 der nahezu kälteste Bereich der gesamten Wärmepumpe. Damit sieht der Wasserdampf 1010, der typischerweise durch einen Spalt 1012 in den Fremdgassammelraum eintritt, auch an der seitlichen Wand 901a eine Kältesenke, die den Wasserdampf motiviert, zu kondensieren. Durch diese Wasserdampfströmung, wie sie durch den Pfeil 1010 in 11 symbolisiert ist, werden Fremdgasatome mit in den Fremdgassammelraum hineingetragen. Das Fremdgas wird also mitgerissen und sammelt sich, weil es nicht kondensieren kann, in der gesamten beruhigten Zone an.
Hört die Kondensation auf, ist der Fremdgasanteil und damit der Partialdruck höher. Dann oder bereits bei abnehmender Kondensation ist es nötig, dass die Fremdgasabführungseinrichtung Fremdgas abführt, beispielsweise mittels einer angeschlossenen Vakuumpumpe, die aus der beruhigten Zone, also aus dem Fremdgassammelraum absaugt. Diese Absaugung kann geregelt geschehen, kann kontinuierlich geschehen oder kann gesteuert passieren. Mögliche Messgrößen sind Druck, Temperatur an der Kondensationsstelle, ein Temperaturunterschied zwischen der Wasserzuführung und der Kondensationsstelle, eine treibende Druckerhöhung für den gesamten Kondensationsprozess zur Wasseraustrittstemperatur, etc. Alle diese Größen können für eine Regelung benutzt werden. Gesteuert kann aber einfach auch durch eine Zeitintervallsteuerung, die eine bestimmte Zeitdauer die Vakuumpumpe einschaltet und dann wieder ausschaltet.
12 zeigt eine detailliertere Darstellung einer Wärmepumpe mit einem Kondensierer, der die Trennwand aufweist, anhand der in 5 querschnittsmäßig dargestellten Wärmepumpe. Insbesondere ist wieder die Trennwand 902 im Querschnitt dargestellt, die den Fremdgassammelraum 900 von der Kondensationszone 408 oder 904 trennt, so dass eine Zone geschaffen wird, nämlich der Fremdgassammelraum 900, in dem im Vergleich zur sonstigen Kondensationszone ein „beruhigtes Klima“ herrscht, in das die Wasserdampfströmung 1010 eintritt, die gleichzeitig Fremdgas, das in der Kondensationszone vorhanden ist, mithineinträgt. Ferner ist als Absaugeinrichtung ein Schlauch 325 vorgesehen. Der Absaugschlauch 325 ist vorzugsweise oben in dem Fremdgassammelraum angeordnet, wie es bei 1020 angedeutet ist, wo das Schlauchende im Fremdgassammelraum angeordnet ist. Die Wände des Fremdgassammelraums werden gebildet durch die Kondensationsoberfläche 901a bezüglich der einen Seite, durch den Wasserzuführungsabschnitt 901b nach oben und durch die Trennwand 902 bezüglich der anderen Seite. Der Schlauch 325, also die Fremdgasabführung, wird vorzugsweise durch den Verdampferboden herausgeführt, jedoch so, dass der Schlauch nicht durch den Verdampfer, in dem ein besonders niedriger Druck herrscht, hindurchführt, sondern an diesem vorbeiführt. Ferner ist der Kondensierer so ausgebildet, dass ein gewisser Pegel an Kondensiererflüssigkeit vorhanden ist. Dieser Pegel ist jedoch derart gestaltet bezüglich seiner Höhe, dass die Trennwand 902 von dem Pegel um den Spalt 1012 von 11 entfernt ist, so dass die Wasserdampfströmung 1010 in den Fremdgassammelraum eintreten kann.
Vorzugsweise ist die Trennwand 902 bei dem in den 9 bis 12 dargestellten Ausführungsbeispielen nach oben hin abgedichtet, so dass die Arbeitsflüssigkeits- oder „Wasser“-Zuführung 402 lediglich Arbeitsflüssigkeit in die Kondensationszone 904 zuführt, nicht jedoch in die beruhigte Zone. Bei anderen Ausführungsbeispielen muss diese Abdichtung jedoch nicht besonders dicht sein. Es reicht eine lose Abdichtung, die dazu dient, dass die beruhigte Zone entstehen kann. Eine im Vergleich zum Kondensationsraum beruhigte Zone im Fremdgassammelraum entsteht bereits dadurch, dass in den Fremdgassammelraum weniger Arbeitsflüssigkeit zugeführt wird als in der Kondensationszone, so dass die Umgebung dort weniger turbulent ist als außerhalb der Trennwand. Die Wasserzuführung könnte somit so ausgebildet sein, dass im Fremdgassammelraum immer noch etwas Wasser zugeführt wird, um eine effiziente Kondensation von Wasserdampf zu erreichen, der, wie es schematisch bei 1010 gezeichnet ist, in den Fremdgassammelraum fließt und dabei das Fremdgas mitnimmt. Der Fremdgassammelraum sollte jedoch so ruhig sein, dass sich das Fremdgas dort auch anreichern kann und nicht wieder entgegen der Strömung 1010 unter der Trennwand herausgebracht wird und sich wieder unerwünschterweise im Kondensierer verteilt.
Wie es in 12 ferner gezeigt ist, ist die Fremdgasabführungseinrichtung 906 ausgebildet, um anhand von entsprechenden Steuer/Regelgrößen 1030 zu arbeiten und angereichertes Fremdgas aus dem Fremdgassammelraum 900 nach außen oder in eine weitere Gasfalle abzuführen, wie es bei 1040 angedeutet ist.
Je nach Implementierung kann z. B. bei dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel der komplette Bereich des Kondensierers außerhalb des Verdampfers von der inneren Wand des Verdampferansaugkanals zur äußeren Wand der gesamten Wärmepumpe bis ganz unten hin mit der Füllung gefüllt sein, die in 5 aus Übersichtlichkeitsgründen nicht eingezeichnet ist. Alternativ kann auch die Abdeckung 902 vorhanden sein, um eine Gasfalle zu implementieren, und es könnte hier ebenfalls der Zwischenboden 209 nicht vorhanden sein, dahin gehend, dass der gesamte Bereich des Kondensierers außerhalb der Abdeckung 902, um den beruhigten Bereich für die Fremdgassammlung zu erreichen, mit der Füllung ausgefüllt ist. Es wird jedoch bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel die Implementierung von 12 vorgenommen, bei der der gesamte Bereich zwischen der Kondensiererwand 114 und der Abdeckung 902 mit der Füllung ausgefüllt ist, die zudem nach unten hin durch den Zwischenboden 209 begrenzt ist und die zudem nach oben hin durch die gestrichelt eingezeichnete Begrenzungsfläche 50 c begrenzt ist. Damit ist also der gesamte Bereich außerhalb der Abdeckung 902 bis zum Gehäuse 114 nach unten hin bis zum Zwischenboden 209 und nach oben hin begrenzt durch die obere Begrenzungsfläche 50c mit einer Schüttung vorzugsweise aus Füllkörpern oder Stahlwolle ausgefüllt.
Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Zwischenboden 209 etwas höher als in 12 gezeichnet angeordnet, nämlich bei 209', so dass der Eingang in den beruhigten Bereich unterhalb der Abdeckung 902 bereits frei von der Füllung ist, damit ein guter Eintritt des Fremdgases stattfindet. Darüber hinaus ist in 12 die Dimensionierung des nicht beregneten Bereichs so ausgeführt, dass aufgrund der vertikal zunehmenden Aufweitung in radialer Richtung der nicht beregnete Bereich bei der bevorzugten Anordnung des Zwischenbodens 209' verschwunden ist, also eine Fläche nahezu gleich 0 hat.
Die Aufweitung ist hierzu mit dem Bezugszeichen 904c bezeichnet, weil sie die seitliche Begrenzung der Beregnung darstellt, wobei jedoch in 3 aus Übersichtlichkeitsgründen diese Aufweitung nicht dargestellt ist.
Bezugszeichenliste

10: Verdampfer
12: Saugrohr
14: Verdichter/Verflüssiger-System
16: Strömungsmaschine
18: Verflüssiger
20a: Vorlauf
20b: Rücklauf
22: Ablauf
50: Füllung
50a: erster Teil
50b: zweiter Teil
50c: obere Begrenzung
60: Beregnungsanlage
70: Arbeitsdampfzuführungsanlage
100: Wärmepumpe
102: Verdampferraum
106: Kondensatorboden
108: Verdampferboden
110: Motor
112: komprimierter Arbeitsdampf
114: Kondensierergehäuse
115: Absaugöffnung bzw. Ansaugmund
200: Verflüssigerboden
201: Dichtungsgummi
202: Verflüssigergehäuseabschnitt
203: Flüssigkeitsablauf
204: Flüssigkeitszulauf
205: Dampfzuführung
207: schematische Begrenzung
208: Füllkörper
209: flüssigkeitsdurchlässiger Zwischenboden
209': flüssigkeitsdurchlässiger Zwischenboden
210: Flüssigkeitstransportbereich
212: Flüssigkeitsverteilerelement
213: Dampfführungsbereich
215: Dampfeinlassspalt
217: seitliche Begrenzung
220: Dampfflussrichtungen
300: Verdampfer
302: Verdichter
304: Dampfleitung
305: Kondensierezulaufkanal
306: Kondensierer
308: zu kühlendes Gebiet
310: Verdampferzulaufleitung
312: Verdampferablaufleitung
314: Pumpe
318: zu wärmendes Gebiet
320: Kondensiererzulaufleitung
322: Kondensiererablaufleitung
325: Fremdgaszuführung
330: Gasfallengehäuse
332: Fremdgaszuführungseingang
334: Fremdgaszuführungseingang
336: Fremdgaszuführungseingang
338: Arbeitsflüssigkeitszuleitung
340: Arbeitsflüssigkeitsableitung
342: Pumpe
344: Arbeitsflüssigkeitsströmung
350: Abzweigungspunkt
352: Verzweigungspunkt
355: Kondensation
357: Fremdgassammlung
358: Ansammlungsraum
371: Absaugleitung
372: Ausstoßleitung
373: Steuerung
374: Druck in der Gasfalle
375: Einlauftemperatur
376: Auslauftemperatur
402: Kondensatorwasserzuführung
404: Tropfenabscheide4
405: Schaufeln
406: Nuten
408: Kondensatorwasser
409: Rand
410: schematische Begrenzung
900: Fremdgassammelraum
901a: Kondensationsoberfläche
901b: Kondensationsoberfläche
902: Trennwand
904: Kondensationszone
904a: obere Grenze
904b: untere Grenze
904c: seitliche Begrenzung
906: Fremdgasabführungseinrichtung
1000: Dampfzuführung
1002: Kondensiererarbeitsflüssigkeit
1010: Wasserdampf
1012: Spalt
2600: kreisförmiger Steg
2700: kreisförmiger Steg
2800: kreisförmiger Steg
2900: vertikaler Steg
3000: Verbindungselement

Claims

Kondensierer (306), mit folgenden Merkmalen: einem Gehäuse (114) mit einer Füllung (50), wobei die Füllung (50) bezüglich einer Betriebsausrichtung des Kondensierers (306) eine obere Begrenzungsfläche (50c) hat; einer in dem Gehäuse (114) angeordneten Beregnungsanlage (60) zum Beregnen nur eines ersten Teils (50a) der oberen Begrenzungsfläche (50c) mit einer Arbeitsflüssigkeit, wobei ein zweiter Teil (50b) der oberen Begrenzungsfläche (50c) nicht beregnet wird; und einer in dem Gehäuse (114) angeordneten Arbeitsdampfzuführungsanlage (70) zum Zuführen von Arbeitsdampf auf den zweiten Teil (50b) der oberen Begrenzungsfläche (50c) der Füllung (50), wobei eine Füllhöhe der Füllung (50) in dem ersten Teil (50a) der oberen Begrenzungsfläche (50c) und dem zweiten Teil (50b) der oberen Begrenzungsfläche (50c) im Wesentlichen gleich ist.
Kondensierer (306) nach Anspruch 1, bei dem das Gehäuse (114) eine Seitenwand hat, durch die die Füllung (50) gehalten wird.
Kondensierer (306) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Beregnungsanlage (60) so ausgebildet ist, dass der erste Teil (50a) der oberen Begrenzungsfläche (50c) eine runde Form oder eine ringartige Form hat.
Kondensierer (306) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Arbeitsdampfzuführungsanlage (70) ausgebildet ist, um über einen ringförmigen Spalt den Arbeitsdampf bezüglich der Betriebsausrichtung des Kondensierers (306) von oben zuzuführen, wobei der ringförmige Spalt einen Innendurchmesser hat, der größer als ein Außendurchmesser eines ringförmigen Auslasses der Beregnungsanlage (60) ist.
Kondensierer (306) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Gehäuse (114) zylindrisch ist.
Kondensierer (306) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die obere Begrenzungsfläche (50c) der Füllung (50) abgesehen von Abweichungen von einzelnen Schüttgutkörpern oder Füllungselementen im Wesentlichen eben ist, bei dem ein ringförmiger Auslass der Arbeitsdampfzuführungsanlage (70) einen Innendurchmesser hat, und bei dem ein ringförmiger Auslass der Beregnungsanlage (60) einen Außendurchmesser hat, wobei der Außendurchmesser kleiner als der Innendurchmesser ist.
Kondensierer (306) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich in dem Kondensierergehäuse ein Kanal (102) für verdampfte Arbeitsflüssigkeit befindet, der durch eine Wand (106) von einem Kondensierervolumen (904) abgetrennt ist.
Kondensierer (306) nach Anspruch 7, bei dem auf der Wand eine Abdeckung (902) angebracht ist, um zwischen der Wand und der Abdeckung einen Fremdgassammelraum zu bilden, der in Kommunikation mit einem Raum ist, in dem die Füllung (50) angeordnet ist, wobei in dem Fremdgassammelraum keine Füllung angeordnet ist.
Kondensierer (306) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Gehäuse (114) einen flüssigkeitsdurchlässigen Zwischenboden (209, 209') aufweist, durch den die Füllung (50) bezüglich der Betriebsausrichtung des Kondensierers (306) nach unten begrenzt ist, wobei unter dem Zwischenboden (209, 209') ein Boden des Gehäuses angeordnet ist, in dem ein Verflüssigerablauf angeordnet ist, um durch das Schüttgut hindurchgelaufene Arbeitsflüssigkeit abzuführen.
Kondensierer (306) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zwischen der oberen Begrenzungsfläche (50c) der Füllung (50) und einem Auslass der Arbeitsdampfzuführungsanlage (70) ein Abstand größer als 2 cm ausgebildet ist, so dass der Arbeitsdampf im Betrieb nicht nur in den zweiten Teil der oberen Begrenzungsfläche (50c), sondern auch in zumindest einen Anteil oder den gesamten ersten Teil (50a) der oberen Begrenzungsfläche (50c) eintritt.
Kondensierer (306) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Beregnungsanlage (60) so ausgebildet ist, um den zweiten Teil (50b) der oberen Begrenzungsfläche (50c) nicht zu beregnen, welcher eine Randzone der oberen Begrenzungsfläche (50c) bildet, und der eine Breite zwischen 1 und 5 cm hat oder eine Differenz zwischen dem Innendurchmesser und dem Außendurchmesser von 1 bis 5 cm hat.
Kondensierer (306) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Füllung (50) Füllkörper oder Einfüllungsmaterial aufweist, das so ausgebildet ist, dass die Füllung (50) eine Turbulenzerzeugungseinrichtung für die Arbeitsflüssigkeit aufweist und eine Strömung des Arbeitsdampfes erlaubt, die stärker laminar ist als eine Strömung der Arbeitsflüssigkeit durch die Füllung (50).
Kondensierer (306) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Füllung (50) Schüttgut aufweist oder eine grobe Struktur hat oder Stahlwolle oder Pallringe aufweist.
Kondensierer (306) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Höhe der Füllung (50) in dem Gehäuse (114) zwischen 10 und 14 cm ist, oder bei dem ein Durchmesser des Gehäuses (114) zwischen 20 cm und 80 cm ist, oder bei ein Außendurchmesser eines Auslasses der Beregnungsanlage 60 zwischen 15 und 78 cm ist, oder bei dem ein Innendurchmesser eines Auslasses der Arbeitsdampfzuführungsanlage (70) zwischen 16 und 79 cm ist.
Kondensierer (306) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner einen Fremdgassammelraum (900) aufweist, wobei der Fremdgassammelraum (900) eine Kondensationsoberfläche (901a, 901b) aufweist, die kälter ist als eine Temperatur des zu kondensierenden Arbeitsdampfes oder die kälter ist als eine Temperatur, die einem Sattdampfdruck des zu kondensierenden Arbeitsdampfes entspricht, und wobei der Fremdgassammelraum frei von der Füllung ist.
Kondensierer (306) nach Anspruch 15, wobei der Fremdgassammelraum (900) ferner eine Trennwand (902) aufweist, die zwischen der Kondensationsoberfläche (901a, 901b) und einer Kondensationszone (904) in dem Kondensierer (306) angeordnet ist, und bei dem die Füllung (50) auf der Trennwand (209, 209') aufliegt und sich zwischen der Trennwand und dem Gehäuse erstreckt, oder bei dem die Trennwand (209') so angeordnet ist, dass ein Eingang in den Fremdgassammelraum frei von der Füllung ist.
Kondensierer (306) nach Anspruch 16, der in einer Wärmepumpe angeordnet ist, die ferner einen Verdichter (302) und einen Verdampfer (300) aufweist, wobei ein Kanal (102) für Arbeitsdampf, der zu dem Verdichter (302) führt, zumindest teilweise in dem Kondensierer (306) angeordnet ist und eine Kanalwand aufweist, die die Kondensationsoberfläche (901a) darstellt.
Kondensierer (306) nach Anspruch 16 oder 17, der eine Flüssigkeitszuführung (402) aufweist, um durch Kondensation zu erwärmende Flüssigkeit in den Kondensierer (306) zu leiten, wobei die Flüssigkeitszuführung (402) eine Wand (901b) aufweist, die zumindest einen Teil der Kondensationsoberfläche darstellt.
Kondensierer (306) nach einem der Ansprüche 17 oder 18, bei dem ein Kanal (102) für den Arbeitsdampf in dem Kondensierer (306) angeordnet ist, bei dem die Trennwand (902) den Kanal umgibt und von dem Kanal beabstandet ist, bei dem eine Kondensationszone (904) zwischen der Trennwand und einem Kondensierergehäuse (114) ausgebildet ist, und wobei die Kondensationszone (904) mit der Füllung (50) gefüllt ist.
Kondensierer (306) nach Anspruch 19, wobei der Flüssigkeitszuführung (402) ausgebildet ist, um durch Kondensation zu erwärmende Arbeitsflüssigkeit dem Kondensierer (306) im Betrieb der Wärmepumpe von oben in einem Zuführungsbereich zuzuführen,
Kondensierer (306) nach einem der Ansprüche 15 bis 20, bei dem die Flüssigkeitszuführung (402) ausgebildet ist, um durch Kondensation zu erwärmende Arbeitsflüssigkeit der Kondensationszone (904) zuzuführen, wobei die Flüssigkeitszuführung so angeordnet ist, dass zwischen der Trennwand (902) und der Kondensationsoberfläche (901a) dem Fremdgassammelraum (900) weniger Arbeitsflüssigkeit als der Kondensationszone (904) oder keine Arbeitsflüssigkeit zugeführt wird.
Kondensierer (306) nach einem der Ansprüche 15 bis 21, bei dem sich der Fremdgassammelraum (900) im Kondensierer (306) von einem unteren Ende zu einem oberen Ende erstreckt, wobei der Fremdgaseingang (1020) näher an dem oberen Ende als an dem unteren Ende oder direkt an dem oberen Ende des Fremdgassammelraums (900) angeordnet ist.
Kondensierer (306) nach einem der Ansprüche 15 bis 22, der ferner folgendes Merkmal aufweist: eine Gasfalle, die durch eine Fremdgaszuführung (325) mit dem Kondensierer (306) gekoppelt ist.
Kondensierer (306) nach Anspruch 23, bei dem die Gasfalle folgende Merkmale aufweist: ein Gehäuse (330) mit einem Fremdgaszuführungseingang (332); eine Arbeitsflüssigkeitszuleitung (338) in dem Gehäuse (330); und eine Arbeitsflüssigkeitsableitung (340) in dem Gehäuse (330); und eine Pumpe (342) zum Abpumpen von Gas aus dem Gehäuse (330), wobei das Gehäuse (330), die Arbeitsflüssigkeitszuleitung (338) und die Arbeitsflüssigkeitsableitung (340) so ausgebildet sind, dass im Betrieb eine Arbeitsflüssigkeitsströmung (344) von der Arbeitsflüssigkeitszuleitung (338) zu der Arbeitsflüssigkeitsableitung (340) in dem Gehäuse (330) stattfindet, und wobei die Arbeitsflüssigkeitszuleitung (338) mit einer Wärmepumpe koppelbar, um im Betrieb der Wärmepumpe Arbeitsflüssigkeit zu leiten, die kälter ist als ein zu kondensierender Arbeitsdampf in dem Kondensierer (306).
Verfahren zum Kondensieren mit einem Gehäuse (114) mit einer Füllung (50), wobei die Füllung (50) bezüglich einer Betriebsausrichtung des Kondensierers (306) eine obere Begrenzungsfläche (50c) hat; mit folgenden Schritten: Beregnen nur eines ersten Teils (50a) der oberen Begrenzungsfläche (50c) mit einer Arbeitsflüssigkeit, wobei ein zweiter Teil (50b) der oberen Begrenzungsfläche (50c) nicht beregnet wird; und Zuführen von Arbeitsdampf auf den zweiten Teil (50b) der oberen Begrenzungsfläche (50c) der Füllung (50), wobei eine Füllhöhe der Füllung (50) in dem ersten Teil (50a) der oberen Begrenzungsfläche (50c) und dem zweiten Teil (50b) der oberen Begrenzungsfläche (50c) im Wesentlichen gleich ist.
Verfahren zum Herstellen eines Kondensierers (306), mit folgenden Schritten: Füllen eines Gehäuses (114) mit einer Füllung (50), wobei die Füllung (50) bezüglich einer Betriebsausrichtung des Kondensierers (306) eine obere Begrenzungsfläche (50c) hat; Anbringen, in dem Gehäuse (114), einer Beregnungsanlage (60) zum Beregnen nur eines ersten Teils (50a) der oberen Begrenzungsfläche (50c) mit einer Arbeitsflüssigkeit, wobei ein zweiter Teil (50b) der oberen Begrenzungsfläche (50c) nicht beregnet wird; und Anbringen, in dem Gehäuse (114), einer Arbeitsdampfzuführungsanlage (70) zum Zuführen von Arbeitsdampf auf den zweiten Teil (50b) der oberen Begrenzungsfläche (50c) der Füllung (50), wobei eine Füllhöhe der Füllung (50) in dem ersten Teil (50a) der oberen Begrenzungsfläche (50c) und dem zweiten Teil (50b) der oberen Begrenzungsfläche (50c) im Wesentlichen gleich ist.
Wärmepumpe mit folgenden Merkmalen: einem Verdampfer (10) zum Verdampfen von Arbeitsflüssigkeit; einem Kompressor (16) zum Komprimieren von in dem Verdampfer (10) verdampfter Arbeitsflüssigkeit; und einem Kondensierer (306), der gemäß einem der Ansprüche 1 bis 24 ausgebildet ist, wobei die Arbeitsdampfzuführungsanlage mit einem Ausgang des Kompressors (16) verbunden ist.
Wärmepumpe nach Anspruch 27, bei der der Kondensierer (306) in Arbeitsrichtung oberhalb des Verdampfers (10) angeordnet ist, bei der eine Ansaugleitung (205) des Kompressors (16) sich durch den Kondensierer (306) erstreckt, bei der ein Radialrad des Kompressors (16) zumindest teilweise oberhalb der Kondensationszone (100) angeordnet ist, und bei der ein Ausgang (215) des Kompressors (16) oberhalb der Kondensationszone (100) angeordnet ist.