DE102019135317A1

DE102019135317A1 - Wärmepumpe mit effizientem diffusor

Info

Publication number: DE102019135317A1
Application number: DE102019135317.3A
Authority: DE
Inventors: Nicolò Cattania; Adrian Zajac
Original assignee: Efficient Energy GmbH
Current assignee: Vertiv SRL
Priority date: 2019-12-19
Filing date: 2019-12-19
Publication date: 2021-06-24
Also published as: WO2021122009A1

Abstract

Wärmepumpe mit einem Verdampfer, einem Verflüssiger und einem Verdichter, der den bei der Verdampfung der im Kreis geführten Arbeitsflüssigkeit entstandenen Dampf (W) verdichtet, so dass sich sein Druck und seine Temperatur erhöhen, und dann den Dampf (W) in den Verflüssiger drückt, wobei der Verdichter einen axial ansaugenden und radial verdichtenden Impeller (1) aufweist, der in einem Impellergehäuse (2) umläuft und zwischen seiner Vorderkante (3) und seiner Hinterkante (4) beschaufelt ist, wobei das Impellergehäuse (2) stromabwärts der Hinterkante (4) des Impellers (1) einen Diffusor (20) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor (20) an den Impeller (1) stromabwärts anschließend, insbesondere direkt anschließend, eine etwa radiale Diffusorpassage (21) und an die radiale Diffusorpassage (21) stromabwärts anschließend eine etwa axiale Diffusorpassage (22) aufweist, dass die radiale Diffusorpassage (21) unbeschaufelt ist, dass die axiale Diffusorpassage (22) Entwirblerschaufeln (23), insbesondere zum langsamen und regelmäßigen Entschleunigen der Dampfströmung, umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kältemaschine, hier kurz „Wärmepumpe“ genannt, zur Erzeugung von kaltem oder warmem Nutzfluid, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Es besteht zunehmend Bedarf an Wärmepumpen, die nicht länger auf inzwischen fast durchweg als klimaschädlich angesehene oder zumindest bedenklich empfundene Kältemittel angewiesen sind. Um dieses Bedürfnis zu stillen, wurden in jüngerer Zeit Wärmepumpen entwickelt, die mit reinem Wasser als Kältemittel arbeiten. Diese Arbeitsweise erfordert jedoch besondere Verdichter. Typischerweise kommen Radialverdichter im Turbobetrieb zum Einsatz.
Bei dieser Art von Maschine wird die Wasserdampfströmung im bzw. nach dem Radialverdichter in einem Diffusor entschleunigt und damit verdichtet. Nach dem Stand der Technik kommt meist an den Diffusor anschließend ein Spiralgehäuse zum Einsatz, um den verdichteten Wasserdampf zu sammeln und in ein Rohr zu leiten. Hierbei verursacht die Führung der Wasserdampfströmung in das Spiralgehäuse hohe Druckverluste, die die Effizienz des Systems verringern.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Wärmepumpe mit verbesserter Effizienz zu schaffen.
DIE ERFINDUNGSGEMÄSSE LÖSUNG
Die erfindungsgemäße Lösung besteht in einer Wärmepumpe mit einem Verdampfer, einem Verflüssiger und einem Verdichter, der den bei der Verdampfung der im Kreis geführten Arbeitsflüssigkeit entstandenen Dampf verdichtet, so dass sich sein Druck und seine Temperatur erhöhen, und dann den Dampf in den Verflüssiger drückt, wobei der Verdichter einen axial ansaugenden und radial verdichtenden Impeller aufweist, der in einem Impellergehäuse umläuft und zwischen seiner Vorderkante und seiner Hinterkante beschaufelt ist, wobei das Impellergehäuse stromabwärts der Hinterkante des Impellers einen Diffusor aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor an den Impeller stromabwärts anschließend, insbesondere direkt anschließend, eine etwa radiale Diffusorpassage und an die radiale Diffusorpassage stromabwärts anschließend eine etwa axiale Diffusorpassage aufweist, dass die radiale Diffusorpassage unbeschaufelt ist, dass die axiale Diffusorpassage Entwirblerschaufeln, insbesondere zum langsamen und regelmäßigen Entschleunigen der Dampfströmung, umfasst.
Der unbeschaufelte Diffusor hat hierbei den Vorteil eines regelmäßigen Wirkungsgrades im ganzen Betriebsbereich, also inbesondere auch im Teillastbereich und weist damit eine gute Teillastfähigkeit auf. Der Nachteil eines unbeschaufelten Diffusors, nämlich den großen Raumbedaurf sowie die vergleichsweise niedrige Effizienz am Auslegungspunkt wird dadurch ausgeglichen, dass der unbeschaufelte Diffusor mit dem beschaufelten Diffusor kombiniert wird. Der Vorteil des beschaufelten Diffusors besteht in seiner hohen Effizienz am Auslegungspunkt sowie in seiner kompakten Bauweise. Der Nachteil des beschaufelten Diffusors, nämlich die niedrige Effizienz bei anderen Betriebspunkten als dem Auslegungspunkt sowie die reduzierte Teillastfähigkeit wird durch die Kombination von beschaufeltem und unbeschaufeltem Diffusor ausgeglichen. Zusammenfassend wird im unbeschaufelten Diffusor vorteilhaft effizient Druckaufgebaut, im gesamten Betriebsbereich. Um den maximalen Druckaufbau zu erreichen, wäre ein sehr breiter unbeschaufelter Diffusor nötig. Da dies aus Platz- und Kostengründen unerwünscht ist, wurde zusätzlich ein Entwirbler, d.h. ein insbesondere senkrecht beschaufelter Diffusor hinzugefügt. Damit erreicht die erfindungsgemäße Kältemaschine nicht nur eine hohe Effizienz, sondern auch eine sehr gute Teillastfähigkeit sowie eine Kompaktheit.
Vorteilhaft sind die Entwirblerschaufeln so ausgelegt, dass der an den Entwirblerschaufeln entlangströmende Dampf an den Entwirblerschaufeln anliegt, insbesondere dass ein Strömungsabriss des Dampfes an den Entwirblerschaufeln verhindert ist. Hierbei wird die Strömung zweckmäßig langsam und regelmäßig entschleunigt, so dass kein Strömungsabriss entsteht. Dies ist zweckmäßig, um effizient Druck aufbauen zu können.
Vorzugsweise sind die Hinterkanten der Entwirblerschaufeln so ausgerichtet, dass die Strömungsrichtung des von der Hinterkante abströmenden Dampfes einen Winkel zur axialen Richtung der axialen Diffusorpassage aufweist. Zweckmäßig sind die Hinterkanten der Schaufeln nicht komplett axial ausgerichtet, um ein Pumpen zu verhindern. Ein Pumpen ist ein Flattern durch kurzzeitigen Strömungsabriss, der starke Druckpulsationen verursacht, was sich nicht nur akustisch störend bemerkbar macht, sondern auch zu ernsthaften Schäden führen kann, nicht zuletzt zu durch stoßartige Überlast bedingten Ermüdungsbrüchen.
Für die meisten Fälle lässt sich Folgendes sagen: Zweckmäßig beträgt der Winkel mindestens etwa 5°, bevorzugt mindestens etwa 10°, besonders bevorzugt mindestens etwa 15°. Vorzugsweise beträgt der Winkel höchstens etwa 45°, bevorzugt höchstens etwa 35°, besonders bevorzugt höchstens etwa 25°.
Vorteilhaft ist der Verflüssiger stromabwärts der axialen Diffusorpassage angeordnet, so dass der von den Entwirblerschaufeln abströmende Dampf direkt in den Verflüssiger strömt. Hierbei werden Reibungsverluste vermindert, die beispielsweise in einem Spiralgehäuse auftreten würden.
Vorzugsweise ist der Diffusor mehrteilig ausgebildet.
Vorteilhaft verläuft die Hauptströmungsrichtung des Dampfes (W) in der radiale Diffusorpassage (21) etwa orthogonal zur Drehachse (D) des Impellers (1). Vorteilhaft verläuft die Hauptströmungsrichtung des Dampfes (W) in der axialen Diffusorpassage (22) etwa parallel zur Drehachse (D) des Impellers (1). Damit baut der Diffusor besonders kompakt, ist gleichzeitig aber auch besonders effizient und besonders gut teillastfähig.
Figurenliste

Die 1 zeigt den Aufbau und die Funktionsweise der zu verbessernden Wärmepumpe als ganzer.
Die 2 zeigt den hierzu verwendeten Radialverdichter.
Die 3 zeigt den hierzu verwendeten Diffusor.
4 und 5 veranschaulichen eine besonders strömungsgünstige Anordnung von Entwirblerschaufeln.
6 veranschaulicht eine strömungsungünstige Anordnung von Entwirblerschaufeln.

BEVORZUGTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Die genaue Funktionsweise und Ausgestaltbarkeit der Erfindung ergibt sich aus dem zuvor gesagten, den Ansprüchen und den beigefügten Figuren, bei denen alles, was daraus zu erkennen ist, optional erfindungsrelevant ist und daher auch nachträglich noch zu einem Teil der Ansprüche gemacht werden kann.
Daher wird an dieser Stelle zunächst nur noch der spezielle Wärmepumpentyp beschrieben, dessen Verbesserung sich die Erfindung zum Ziel gesetzt hat.
Die 1 veranschaulicht den Aufbau und das Funktionsprinzip des für die erfindungsgemäße Anlage bevorzugt zum Einsatz kommenden Wärmepumpentyps, hier am Beispiel der Wärmepumpe 2 mit ihrem Verdampfer 3 und ihrem Verflüssiger 4 und den zugehörigen Verdampferein- und -ausgängen 3.1 bzw. 3.2 sowie den zugehörigen Verflüssigerein- und -ausgängen 4.1 bzw. 4.2.
Es handelt sich um ein bis an die Wärmetauscher, die die Systemgrenze des eingehausten Systems bilden mögen, vakuumdichtes System. Dieses wird vorzugsweise mit reinem Wasser als Arbeitsflüssigkeit betrieben, sowohl auf Seiten der Kühlflüssigkeit als auch auf Seiten der Kaltflüssigkeit.
Die Kaltflüssigkeit tritt über den Verdampfereingang 3.1 in den Verdampfer 3 der Wärmepumpe 2 ein.
Etwa 1 % der eingetretenen Kaltflüssigkeit verdampft im dort herrschenden Vakuum. Die hierfür benötigte Verdampfungsenergie wird dem restlichen Kaltflüssigkeitsstrom KW entzogen, der sich dadurch um ca. 6 °C abkühlt.
Der bei der Verdampfung entstandene Dampf W wird von dem Turboverdichter 17, der mit einem erfindungsgemäß und wie vorstehend beschrieben ausgeführten und gekühlten Elektromotor angetrieben wird, mit vorzugsweise mehr als 25.000 Umdrehungen pro Minute auf maximal ein Drittel seines Ausgangsvolumens verdichtet, wobei sich sein Druck und seine Temperatur erhöhen. Er wird dabei in den Verflüssiger 4 gedrückt.
Der erhitzte Dampf W kondensiert im Verflüssiger 4 direkt in den umlaufenden Kühlflüssigkeitsstrom K, die dabei abgegebene Kondensationswärme erwärmt diesen dabei ebenfalls um ca. 6 °C.
Geschlossen wird der Kreislauf über ein selbstregelndes Expansionsorgan 18.
Bemerkenswert ist, dass die Verdampfung und Rekondensation vollständig innerhalb der jeweiligen Wärmepumpe abläuft, d. h. innerhalb der Dose, die die Wärmepumpe gegenüber ihrer Umgebung kapselt. Die Verdampfung und Rekondensation erfolgen nicht in den Wärmetauschern, die in dem zu heizenden oder zu kühlenden Raum angebracht sind und/oder zum Zwecke der Nutzwärmeaufnahme bzw. der Abwärmeabgabe gebäudeaußenseitig.
2 und 3 zeigen die Wärmepumpe mit dem Verdampfer, dem Verflüssiger und dem Verdichter, der den bei der Verdampfung der im Kreis geführten Arbeitsflüssigkeit entstandenen Dampf W verdichtet, so dass sich sein Druck und seine Temperatur erhöhen, und dann den Dampf W in den Verflüssiger drückt. Der Verdichter weist einen axial ansaugenden und radial verdichtenden Impeller 1 auf, der in einem Impellergehäuse 2 umläuft und zwischen seiner Vorderkante 3 und seiner Hinterkante 4 beschaufelt ist, wobei das Impellergehäuse 2 stromabwärts der Hinterkante 4 des Impellers 1 einen Diffusor 20 aufweist. Der Diffusor 20 schließt an den Impeller 1 stromabwärts an, insbesondere direkt an. Hieran schließt eine etwa radiale Diffusorpassage 21 und an die radiale Diffusorpassage 21 stromabwärts eine etwa axiale Diffusorpassage 22 an. Die radiale Diffusorpassage 21 ist unbeschaufelt. Die axiale Diffusorpassage 22 umfasst Entwirblerschaufeln 23, die insbesondere zum langsamen und regelmäßigen Entschleunigen der Dampfströmung vorgesehen sind.
Wie gut an den 4 und 5 erkennbar ist, sind die Entwirblerschaufeln 23 so ausgelegt, dass der an den Entwirblerschaufeln 23 entlangströmende Dampf W an den Entwirblerschaufeln 23 anliegt, so dass insbesondere ein Strömungsabriss des Dampfes W an den Entwirblerschaufeln 23 verhindert ist. Die Hinterkanten 24 der Entwirblerschaufeln 23 sind so ausgerichtet, dass die Strömungsrichtung des von der Hinterkante abströmenden Dampfes W einen Winkel a zur axialen Richtung A der axialen Diffusorpassage 22 aufweist. Die axiale Richtung ist in 3 sowie 4 und 5 gekennzeichnet. Der Winkel a beträgt mindestens etwa 5°, bevorzugt mindestens etwa 10°, besonders bevorzugt mindestens etwa 15°. Der Winkel a beträgt höchstens etwa 45°, bevorzugt höchstens etwa 35°, besonders bevorzugt höchstens etwa 25°.
Die 6 zeigt im Übrigen eine Anordnung von Entwirblerschaufeln 23, die nicht ideal ist. Hierbei erfolgt die Abströmung des Dampfes W nahezu komplett axial, also etwa parallel zur Drehrichtung D des Diffusors, was zu Pumpen, insbesondere im Teillastbereich, führen kann.
3 zeigt, wie der Verflüssiger stromabwärts der axialen Diffusorpassage 22 angeordnet ist, so dass der von den Entwirblerschaufeln 23 abströmende Dampf W direkt in den Verflüssiger strömt.
Die Hauptströmungsrichtung des Dampfes W verläuft in der radiale Diffusorpassage 21 etwa orthogonal zur Drehachse D des Impellers 1 verläuft. Die Hauptströmungsrichtung des Dampfes W in der axialen Diffusorpassage 22 verläuft etwa parallel zur Drehachse D des Impellers 1. Unter Hauptströmungsrichtung wird insbesondere die zeitlich gemittelte, also stationäre Strömungsrichtung des dreidimensionalen Strömungsvektors (mit Strömungsrichtungen in den drei Raumrichtungen) verstanden.
Der Diffusor 20 ist mehrteilig ausgebildet. Insbesondere ist das Gehäuse, welches den Diffusor 20 umfassen kann, mehrteilig ausgebildet.
Bezugszeichenliste

1: Impeller
2: Impellergehäuse Wärmepumpe oder, nur in 1, Wärmepumpe (doppelt vergeben)
3: Vorderkante des Impellers oder, nur in 1, Verdampfer (doppelt vergeben)
3.1: Verdampfereingang
3.2: Verdampferausgang
4: Hinterkante des Impellers oder, nur in 1,Verflüssiger (doppelt vergeben)
4.1: Verflüssigereingang
4.2: Verflüssigerausgang
5: Ansaugschürze
6: Saugmund
7: nicht vergeben
8: erste Mündung (nur in 2)
9: zweite Mündung (nur in 2)
10: nicht vergeben
11: nicht vergeben
12: nicht vergeben
13: nicht vergeben
14: nicht vergeben
15: nicht vergeben
16: Dose / Kapselung (nur in 1)
17: Turboverdichter
18: Expansionsorgan
20: Diffusor
21: radiale Diffusorpassage
22: axiale Diffusorpassage
23: Entwirblerschaufel
D: Betriebsrotationsachse/Drehachse des Impellers 1
K: Kühlflüssigkeitsstrom
KW: Kaltflüssigkeitsstrom
W: Dampf
A: axiale Richtung der axialen Diffusorpassage 22
a: Winkel

Claims

Wärmepumpe mit einem Verdampfer, einem Verflüssiger und einem Verdichter, der den bei der Verdampfung der im Kreis geführten Arbeitsflüssigkeit entstandenen Dampf (W) verdichtet, so dass sich sein Druck und seine Temperatur erhöhen, und dann den Dampf (W) in den Verflüssiger drückt, wobei der Verdichter einen axial ansaugenden und radial verdichtenden Impeller (1) aufweist, der in einem Impellergehäuse (2) umläuft und zwischen seiner Vorderkante (3) und seiner Hinterkante (4) beschaufelt ist, wobei das Impellergehäuse (2) stromabwärts der Hinterkante (4) des Impellers (1) einen Diffusor (20) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor (20) an den Impeller (1) stromabwärts anschließend, insbesondere direkt anschließend, eine etwa radiale Diffusorpassage (21) und an die radiale Diffusorpassage (21) stromabwärts anschließend eine etwa axiale Diffusorpassage (22) aufweist, dass die radiale Diffusorpassage (21) unbeschaufelt ist, dass die axiale Diffusorpassage (22) Entwirblerschaufeln (23), insbesondere zum langsamen und regelmäßigen Entschleunigen der Dampfströmung, umfasst.
Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Entwirblerschaufeln (23) so ausgelegt sind, dass der an den Entwirblerschaufeln (23) entlangströmende Dampf (W) an den Entwirblerschaufeln (23) anliegt, insbesondere dass ein Strömungsabriss des Dampfes (W) an den Entwirblerschaufeln (23) verhindert ist.
Wärmepumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hinterkanten (24) der Entwirblerschaufeln (23) so ausgerichtet sind, dass die Strömungsrichtung des von der Hinterkante abströmenden Dampfes (W) einen Winkel (a) zur axialen Richtung (A) der axialen Diffusorpassage (22) aufweist.
Wärmepumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (a) mindestens etwa 5°, bevorzugt mindestens etwa 10°, besonders bevorzugt mindestens etwa 15° beträgt.
Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (a) höchstens etwa 45°, bevorzugt höchstens etwa 35°, besonders bevorzugt höchstens etwa 25° beträgt.
Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verflüssiger stromabwärts der axialen Diffusorpassage (22) angeordnet ist, so dass der von den Entwirblerschaufeln (23) abströmende Dampf (W) direkt in den Verflüssiger strömt.
Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor (20) mehrteilig ausgebildet ist.
Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptströmungsrichtung des Dampfes (W) in der radiale Diffusorpassage (21) etwa orthogonal zur Drehachse (D) des Impellers (1) verläuft.
Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptströmungsrichtung des Dampfes (W) in der axialen Diffusorpassage (22) etwa parallel zur Drehachse (D) des Impellers (1) verläuft.