DE102019219066A1

DE102019219066A1 - Anlage zur Kälteerzeugung

Info

Publication number: DE102019219066A1
Application number: DE102019219066.9A
Authority: DE
Inventors: André Wittmer; Torsten Höfling; Klaus Habr; Marinus Wieser; Stefan Loesch; Klaus Reymann; Peter Rehbein; Gottfried Hendrix; Michael Diez; Theo Bieberstein
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-09-04
Filing date: 2019-12-06
Publication date: 2021-03-04

Abstract

Offenbart ist eine Anlage zur Kälteerzeugung mit Komponenten eines thermodynamischen Kreisprozesses, nämlich mit einem Verdampfer, in dem ein Arbeitsmedium in flüssiger Phase und in Dampfphase vorliegt, mit einem Expander, dem das Arbeitsmedium als Dampf vom Verdampfer her zuströmt und von dem ein Kompressor eines Kühlkreislaufs antreibbar ist, mit einem Kondensor zur Abkühlung und Verflüssigung des Arbeitsmediums nach dem Verlassen des Expanders, mit einer Speisepumpe, die verflüssigtes Arbeitsmedium zum Verdampfer fördert, und mit einer Wärmequelle zum Erwärmen des sich im Verdampfer befindlichen Arbeitsmittels, wobei die Wärmequelle eine solarthermische Wärmequelle ist. Auf diese Weise können die für die Kälteerzeugung anfallenden Kosten für elektrischen Strom geringgehalten werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Kälteerzeugung mit Komponenten eines thermodynamischen Kreisprozesses. Dieser umfasst einen Verdampfer, in dem ein Arbeitsmedium in flüssiger Phase und in Dampfphase vorliegt, einen Expander, dem das Arbeitsmedium als Dampf vom Verdampfer her zuströmt und von dem ein Kompressor eines Kühlkreislaufs antreibbar ist, einen Kondensor zur Abkühlung und Verflüssigung des Arbeitsmediums nach dem Verlassen des Expanders und eine Speisepumpe, die verflüssigte Arbeitsmedium zum Verdampfer fördert. Es ist eine Wärmequelle zum Erwärmen des sich im Verdampfer befindlichen Arbeitsmittels vorhanden.
Eine derartige Anlage zur Kälteerzeugung ist aus der WO 89/08188 A1 bekannt. Die Anlage umfasst einen thermodynamischen Kreisprozess mit einem Verdampfer, mit einer Einheit, in der ein Expander, ein Kompressor eines Kühlkreislaufs und eine Speisepumpe integriert sind, und mit einem Kondensor. Die Anlage umfasst des Weiteren eine Wärmequelle zum Erwärmen des sich im Verdampfer befindlichen Arbeitsmittels.
In der WO 89/08188 wird darauf hingewiesen, dass die Wärmequelle für die Erwärmung des Arbeitsmediums im Verdampfer Abwärme oder Solarwärme sein kann.
Der Erfindung liegt die Zielsetzung zugrunde, die bekannte Anlage so weiterzuentwickeln, dass Sie auch in Zonen gemäßigten Klimas verwendet werden kann und für die Kühlung eines Gebäudes nur geringe Betriebskosten, insbesondere geringe Stromkosten anfallen.
Das verfolgte Ziel wird bei einer Anlage mit den eingangs angeführten Merkmalen dadurch erreicht, dass die Wärmequelle durch mindestens einen Sonnenkollektor gebildet wird. Bei bisher bekannten Solarthermieanlagen kann es vor allem im Hochsommer unter starker Sonneneinstrahlung zu einer Überhitzung kommen. Gerade wenn der Wärmebedarf am geringsten ist, erreicht die Wärmeerzeugung durch die Solarthermieanlage ihr Maximum. Demgegenüber nutzt eine erfindungsgemäße Anlage die von den Sonnenkollektoren bereitgestellte Wärme, um Kälte zu erzeugen. An heißen Tagen also mit viel Sonneneinstrahlung wird somit mit Hilfe der anfallenden Wärme gekühlt. Anders als andere Formen der Kälteerzeugung erzeugt eine erfindungsgemäße Anlage Kälte nahezu ohne Energieverbrauch und damit CO₂-Emission. Aufgrund der als Wärmesenke agierenden Anlage können die Solarkollektoren größer als bisher dimensioniert werden. Dadurch steht im Sommer mehr Kühlleistung zur Verfügung. Im Winter decken die größer dimensionierten Sonnenkollektoren den Wärme- und Warmwasserbedarf besser ab.
Eine erfindungsgemäße Anlage kann in vorteilhafter Weise weiter ausgestaltet werden.
Vorteilhafterweise ist das Arbeitsmedium ein hochmolekulares organisches Arbeitsmedium, dessen Siedepunkt niedriger ist als der Siedepunkt von Wasser.
Vorteilhafterweise umfasst der Expander einen Freikolben, der eine Arbeitskammer begrenzt, in die über ein Zulaufventil in der Dampfphase befindliches Arbeitsmedium eingelassen wird. Der Kompressor ist ein Kolbenkompressor mit einem Kompressorkolben, der starr mit dem Freikolben verbunden und vom Freikolben antreibbar ist.
Es ist günstig, wenn sich zu beiden Seiten des Freikolbens jeweils eine Arbeitskammer und wenn sich zu beiden Seiten des Kompressorkolbens jeweils eine Verdichterkammer befindet, wenn also der Freikolben und der Kompressorkolben doppeltwirkend sind.
Ein erster Kolben und ein zweiter Kolben können über eine Kolbenstange fest miteinander verbunden sein, wobei zwischen dem ersten Kolben und dem zweiten Kolben ein dritter Kolben auf der Kolbenstange befestigt ist. Alle Kolben können in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sein, so dass die Kolbenstange von außen nicht sichtbar ist und sich eine kompakt bauende Expander-Kompressor-Einheit ergibt.
Der erste Kolben und der zweite Kolben können an einander entgegen gerichteten Flächen jeweils eine Arbeitskammer begrenzen, wobei der dritte Kolben der Kompressorkolben ist.
Eine noch höhere Integrationsstufe von Komponenten einer erfindungsgemäßen Anlage wird erreicht, wenn der erste Kolben der Freikolben ist und sich auf jeder Seite des ersten Kolbens eine Arbeitskammer befindet, wenn der zweite Kolben der Kompressorkolben ist und sich auf jeder Seite des Kompressorkolbens eine Verdichterkammer befindet und wenn der dritte Kolben der Förderkolben der Speisepumpe ist. Vorteilhaft an dieser Ausführung ist auch, dass sich die Ein- und Auslassventile des doppelwirkenden Expanders und des doppeltwirkenden Kompressors nahe beieinander befinden und deshalb das Anschließen an Leitungen einfach ist.
Beide Kreisläufe können mit demselben das fluide Kühlmedium des Kühlkreislaufs und das fluide Arbeitsmedium des thermodynamischen Kreisprozesses bildenden Fluid betrieben werden. Dann können, da der Expander und der Kompressor sowie gegebenenfalls die Speisepumpe nicht hermetisch gegeneinander abgedichtet sein müssen, innerhalb der Expander-Kompressor-Einheit einfache Dichtungen verwendet werden. Dies führt zu günstigen Herstellkosten.
Anlage nach Patentanspruch 9, wobei das Fluid nacheinander die Komponenten des Kühlkreislaufs und die Komponenten des thermodynamischen Kreisprozesses durchströmt und wobei das Fluid von einem Kondensor, in dem es nach der Verdichtung durch den Kompressor kondensiert, der Speisepumpe und von dem Kondensor, in dem es nach der Expansion im Expander des thermodynamischen Kreisprozesses kondensiert, einer Expansionseinrichtung zugeführt wird.
In einer vorteilhaften Ausführung wird ein Wärmeträger eines solarthermischen Kreislaufs, in der Regel Glykol oder ein Wasser/Glykol-Gemisch, in dem mindestens einen Sonnenkollektor bis über die Siedetemperatur des Arbeitsmediums erwärmt, zum Verdampfer geführt, erwärmt dort wie in einem Wärmetauscher, also ohne mit dem Arbeitsmedium direkt in Kontakt zu kommen, das Arbeitsmedium bis über dessen Siedetemperatur und wird vom Verdampfer wieder zu dem mindestens einen Sonnenkollektor zurückgeführt.
Es kann aber auch der Verdampfer für das Arbeitsmedium des thermodynamischen Kreislaufs durch den mindestens einen Sonnenkollektor gebildet sein.
Im Kondensor kann Wärmeenergie aus dem thermodynamischen Kreislauf zur Vorwärmung des Wärmeträgers des solarthermischen Kreislaufs genutzt werden.
In eine erfindungsgemäße Anlage kann eine Photovoltaikanlage integriert sein, von der Energie durch mindestens einen Heizstab direkt in den Verdampfer abgegeben wird. Hiermit wird die Einspeiseproblematik umgangen und ein größeres solares Spektrum genutzt.
Mehrere Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Anlage zur Kälteerzeugung ist in den Zeichnungen dargestellt. Anhand der Figuren dieser Zeichnung wird die Erfindung nun näher erläutert.
Es zeigen

1 in stark vereinfachter Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel, wobei der Fluidkreislauf durch die Sonnenkollektoren vom thermodynamischen Kreislauf getrennt ist,
2 in stark vereinfachter Darstellung eine Einheit aus Expander und Kompressor zur Verwendung in einer Anlage gemäß den 1 oder 3.
3 in stark vereinfachter Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel, wobei die Sonnenkollektoren als Verdampfer innerhalb des thermodynamischen Kreislaufs dienen,
4 in stark vereinfachter Darstellung eine andere Einheit aus Expander und Kompressor zur Verwendung in einer Anlage gemäß den 1 oder 3 und
5 in stark vereinfachter Darstellung ein drittes Ausführungsbeispiel, bei dem das Arbeitsmittel für den thermodynamischen Kreislauf mit dem Kältemittel identisch ist und nacheinander kühlt und Arbeit verrichtet und das eine Expander-Kompressor-Einheit mit integrierter Speisepumpe aufweist.

Die in den 1, 2 und 5 gezeigten Anlagen zur Kälteerzeugung umfassen einen thermodynamischen Kreisprozess, der stark schematisch dargestellt ist und ein sogenannter Organic Rankine Cycle (ORC) ist. Der Name Organic Rankine Cycle leitet sich ab von dem britischen Physiker und Ingenieur William John Macquorn Rankine sowie von der Verwendung eines organischen Arbeitsmediums, zum Beispiel ein Heptan oder ein Hexan, mit einem Siedepunkt, der niedriger ist als der Siedepunkt von Wasser.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 umfasst der ORC einen Verdampfer 5, in dem das Arbeitsmedium in flüssiger Phase und in Dampfphase, die sich im Wesentlichen oberhalb der flüssigen Phase befindet, vorliegt. Die flüssige Phase wird von einer Wärmequelle, nämlich von einem oder mehreren Sonnenkollektoren 6 bis über ihren Siedepunkt erwärmt, so dass sich in den beiden Phasen ein Druck einstellt, der über Atmosphärendruck liegt. Die Sonnenkollektoren 6 gehören zu einem solarthermischen Kreislauf mit einem Röhrensystem 7, in dem ein flüssiger Wärmeträger, in der Regel Glykol oder ein Wasser/Glykol-Gemisch zirkuliert. In den Sonnenkollektoren wird der Wärmeträger erwärmt. Innerhalb des Verdampfers 5 gibt der Wärmeträger wie in einem Wärmetauscher, also ohne mit dem Arbeitsmedium direkt in Kontakt zu kommen, Wärme an das Arbeitsmedium ab. Die Zirkulation des Wärmeträgers wird durch eine Speisepumpe 8 aufrechterhalten, die in den Zweig des Röhrensystems 7 mit der niedrigeren Temperatur eingefügt ist. Zum Beispiel kann ein Arbeitsmedium verwendet werden, dessen Siedepunkt bei 68 Grad Celsius liegt. Durch den solarthermischen Kreislauf wird das Arbeitsmedium zum Beispiel auf 110 Grad Celsius erwärmt. Entsprechend dieser Erwärmung auf 110 Grad stellt sich ein bestimmter Dampfdruck von zum Beispiel 3 bar ein.
Über ein Rohr 12 gelangt der unter Druck stehende Dampf zu einer doppeltwirkenden Expander-Kompressor-Einheit 13, in der gemäß 2 ein Expander 24, mit dessen Hilfe von dem Dampf Arbeit geleistet wird, und ein Kompressor 25 integriert sind, von dem ein Kühlmittel komprimiert wird. Von der Einheit 13 gelangt der expandierte Dampf über ein Rohr 15 zu einem Kondensor 16, in dem das Arbeitsmedium gekühlt und verflüssigt wird. Eine Speisepumpe 17 fördert das flüssige Arbeitsmedium zurück in den Verdampfer 5.
Der Rücklaufzweig des solarthermischen Kreislaufs führt über den Kondensor 16, in dem der Wärmeträger des solarthermischen Kreislaufs vorgewärmt wird. Die Speisepumpe 8 des solarthermischen Kreislaufs ist stromab des Kondensors 16 angeordnet.
Der Kühlkreislauf umfasst außer dem Kompressor 25 einen Kondensor 18, dem das vom Kompressor verdichtete Kältemittel in einem gasförmigen Zustand zufließt und in dem sich das Kältemittel durch Wärmeabgabe verflüssigt, einen Verdampfer 19, in dem das flüssige Kältemittel durch Wärmeaufnahme wieder in den gasförmigen Zustand übergeht, und ein Drosselorgan 20, das zwischen dem Kondensor 18 und dem Verdampfer 19 angeordnet ist und in dem der hohe Druck, unter dem das Kältemittel im Kondensor 18 steht, auf einen niedrigeren Druck abfällt.
Eine Anlage gemäß 1 kann zur Wohnraumlüftung oder zur Kühlung eines Wohnraums oder eines Hauses oder ganz allgemein eines Gebäudes durch Umluft genutzt werden oder es kann ein Fußboden-/Radiator-Heiz-Kühl‟-Kreislauf mit betrieben werden. Der Stromverbrauch wird überwiegend reduziert. Elektrischer Strom wird nur noch für Steuerungsfunktionen benötigt.
Die in 2 näher gezeigte doppeltwirkende Einheit 13 hat ein druckfestes Gehäuse 30 mit einem mittleren Gehäuseteil 31, dessen Inneres durch einen formfesten Arbeitskolben 32 in eine erste Arbeitskammer 33 und in eine zweite Arbeitskammer 34 aufgeteilt ist. Die Arbeitskammer 33 ist über ein Zulaufventil 35, das in einer Stellung geschlossen und in einer zweiten Stellung geöffnet ist und das zum Beispiel elektromagnetisch von einer Stellung, die es unter der Wirkung einer Feder einnimmt, in die andere Stellung betätigbar ist, an einen im Gehäuse 30 verlaufenden Kanal angeschlossen, der mit dem Rohr 12 verbunden ist. Die Arbeitskammer 34 ist über ein Zulaufventil 36, das genauso wie das Zulaufventil 35 ausgebildet ist, an den mit dem Rohr 12 verbundenen Kanal angeschlossen. Die Arbeitskammer 33 ist außerdem über ein Ablaufventil 37, das in einer Stellung geschlossen und in einer zweiten Stellung geöffnet ist und das zum Beispiel elektromagnetisch von einer Stellung, die es unter der Wirkung einer Feder einnimmt, in die andere Stellung betätigbar ist, an einen im Gehäuse 30 verlaufenden Kanal angeschlossen, der mit dem Rohr 15 verbunden ist. Die Arbeitskammer 34 ist außerdem über ein Ablaufventil 38, das genauso wie das Ablaufventil 37 ausgebildet ist, mit dem mit dem Rohr 15 verbundenen Kanal angeschlossen.
Der mittlere Teil der doppeltwirkenden Einheit 13 bildet den gemäß dem Freikolbenprinzip funktionierenden Expander 24 des thermodynamischen Kreisprozesses.
Die Einheit 13 hat außerdem ein erstes seitliches Gehäuseteil 39 mit einem Innenraum, der durch einen ersten formfesten Kompressorkolben 40 in zwei Kammern aufgeteilt wird. Außerdem hat die Einheit 13 ein zweites seitliches Gehäuseteil 41, das dem Gehäuseteil 39 bezüglich des mittleren Gehäuseteils 31 gegenüberliegt und dessen Innenraum durch einen zweiten formfesten Kompressorkolben 42 ebenfalls in zwei Kammern aufgeteilt ist. Jeder der Kompressorkolben 40 und 42 ist über eine Kolbenstange 43, die einseitig von ihm abgeht und die abgedichtet durch die Innenräume der drei Gehäuseteile voneinander trennende Wände hindurchgeführt ist, mit dem Arbeitskolben 32 fest verbunden. Die Kolbenstange 43 kann durch zwei einzelne Kolbenstangen, die einzeln fest mit dem Arbeitskolben 32 verbunden sind, oder durch eine einstückige Kolbenstange gebildet sein, die durch den Arbeitskolben hindurchgeht und auf der der Arbeitskolben 32 fest sitzt. Alle drei Kolben 32, 40 und 42 sind somit gemeinsam in Richtung der der Achse der Kolbenstange 43 bewegbar im Gehäuse 30 geführt. Die beiden Kompressorkolben 40 und 42 haben denselben Außendurchmesser. Dieser ist kleiner als der Außendurchmesser des Arbeitskolbens 32.
Aufgrund des beschriebenen Aufbaus der Einheit 13 aus 1 hat die Kammer 44, die sich auf der der Kolbenstange 43 abgelegenen Seite des Kompressorkolbens 40 befindet, also die äußere Kammer ist, senkrecht zur Bewegungsrichtung der Kolben einen kreisscheibenförmigen Querschnitt, während die gegenüberliegende, innere Kammer 45 einen ringförmigen Querschnitt hat. Ebenso hat die Kammer 46, die sich auf der der Kolbenstange 43 abgelegenen Seite des Kompressorkolbens 42 befindet, also die äußere Kammer ist, einen kreisscheibenförmigen Querschnitt, während die gegenüberliegende, innere Kammer 47 einen ringförmigen Querschnitt hat. Die beiden äußeren Kammern 44 und 46 werden als Verdichterkammern für ein Kühlmittel genutzt. Die Verdichterkammer 44 ist über ein Einlassventil 50, das als zu ihr hin öffnendes Rückschlagventil ausgebildet ist, mit einem Kühlmitteleinlasskanal 51 und über diesen mit einer zum Verdampfer 19 führenden Leitung 21, und über ein Druckventil 52, das als zu ihr hin sperrendes Rückschlagventil ausgebildet ist, mit einem Kühlmittelauslasskanal 53 und über diesen mit einer zum Kondensor 18 führenden Leitung 22 verbunden. Die Verdichterkammer 44 ist über ein Einlassventil 54, das als zu ihr hin öffnendes Rückschlagventil ausgebildet ist, mit dem Kühlmitteleinlasskanal 51, und über ein Druckventil 55, das als zu ihr hin sperrendes Rückschlagventil ausgebildet ist, mit dem Kühlmittelauslasskanal 53 verbunden. Die Kammern 43 und 45 sind mit Atmosphäre verbunden.
Die beiden äußeren Teile der Einheit 13 bilden zusammen den doppeltwirkenden Kolbenkompressor 25.
Die beiden Arbeitskammern 33 und 34 haben in Bewegungsrichtung der Kolben jeweils einen ringförmigen Querschnitt, der jedoch größer als der Querschnitt der Verdichterkammern 42 und 45 ist.
Es sei zunächst angenommen, dass die beiden Zulaufventile 35 und 36 und die beiden Ablaufventile 37 und 38 geschlossen sind. Die Kolben 32, 40 und 42 stehen dann still.
Werden nun das der Arbeitskammer 33 zugehörige Zulaufventil 35 und das der Arbeitskammer 34 zugehörige Ablaufventil 38 geöffnet, so strömt unter Druck stehender Dampf aus dem Verdampfer 5 und dem Rohr 12 in die Arbeitskammer 33 hinein. Durch den Druck wird an dem Arbeitskolben 32 eine Kraft erzeugt, die den Arbeitskolben und mit diesem auch die beiden Kompressorkolben 40 und 42 gemäß der Ansicht nach 2 nach rechts bewegt. Durch den Kompressorkolben 42 wird die Verdichterkammer 46 verkleinert und aus dieser über das Druckventil 55 und über die Leitung 22 sich in der Gasphase befindliches Kühlmittel zum Kondensor 18 verdrängt. Im Gegensatz dazu wird das Volumen der Verdichterkammer 44 vergrößert, so dass über das Einlassventil 50 vom Verdampfer 19 her über die Leitung 21 gasförmiges Kühlmittel einströmt. Sind die Kolben am Ende ihres Weges angelangt, so werden das Zulaufventil 35 und das Ablaufventil 38 geschlossen und das Zulaufventil 36 und das Ablaufventil 37 geöffnet. Unter Druck stehender Dampf strömt nun aus dem Verdampfer 10 über das Rohr 12 in die Arbeitskammer 34. Durch den Druck wird an dem Arbeitskolben 32 eine Kraft erzeugt, die den Arbeitskolben und mit diesem auch die beiden Kompressorkolben 40 und 42 gemäß der Ansicht nach 2 nach links bewegt. Durch den Kompressorkolben 40 wird die Verdichterkammer 44 verkleinert und dadurch das zuvor vom Verdampfer 19 her über die Leitung 21 zugeströmte gasförmige Kühlmittel verdichtet und über das Druckventil 52 und über die Leitung 22 zum Kondensor 18 verdrängt. Im Gegensatz dazu wird das Volumen der Verdichterkammer 46 vergrößert, so dass über das Einlassventil 54 Kühlmittel einströmt. Der beschriebene Zyklus wiederholt sich solange, bis das abwechselnde Öffnen und Schließen der Ventile 35, 36, 37 und 38 unterbleibt und zumindest die beiden Zulaufventile 35 und 36 gleichzeitig geschlossen sind.
Eine Variante der gezeigten Expander-Kompressor-Einheit besteht darin, dass der als Freikolben funktionierende Arbeitskolben 32 auch die Speisepumpe 17 oder die Speisepumpe 8 des solarthermischen Kreislaufs antreibt, so dass eine weitere Stromersparnis erzielt wird.
Die Betätigung der Ventile 35, 36, 37 und 38 muss nicht unbedingt direkt elektromagnetisch, sondern kann auch elektrisch zum Beispiel durch einen Servomotor, elektrohydraulisch mit elektrischen oder elektromagnetischen Vorsteuerventilen oder auch hydromechanisch erfolgen.
Es ist auch denkbar, nur mit einem Kolben einen doppeltwirkenden Kolbenkompressor aufzubauen, wobei dann die zwei Verdichterkammern durch die Kammern 46 und 47 oder die Kammern 44 und 45 aus 2 gebildet würden.
Auch die Anlage gemäß 3 umfasst eine Expander-Kompressor-Einheit 13, wobei der Kompressor Teil eines Kühlkreislaufs ist und ein Kältemittel in dessen gasförmigem Zustand über eine Leitung 22 zu einem Kondensor 18 fördert. In dem Kondensor 18 gibt das unter hohem Druck stehende Kühlmittel Wärme an die Umgebung ab und wird flüssig. Über einen Trockner 26 und ein Expansionsventil 20, das zwischen dem Trockner 26 und dem Verdampfer 19 angeordnet ist und über das der hohe Druck, unter dem das Kältemittel im Kondensor 18 steht, auf den niedrigeren Druck im Verdampfer 19 abfällt, gelangt das Kältemittel in den Verdampfer 19. Aufgrund der Druckverringerung verdampft das Kühlmittel im Verdampfer und nimmt Wärme aus der Umgebung, zum Beispiel aus einem Gebäude, auf. Über eine Leitung 21 saugt der Kompressor das gasförmige Kühlmittel vom Verdampfer 19 ab und fördert es verdichtet dem Kondensor 18 zu.
Anders als bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 führt bei dem Ausführungsbeispiel nach 3 der thermodynamische Kreisprozess direkt über einen oder mehrere Sonnenkollektoren 6. Diese Sonnenkollektoren stellen also zugleich den Verdampfer 5 aus 1 dar. Von den Sonnenkollektoren 6 gelangt das gasförmige Arbeitsmedium des thermodynamischen Kreisprozesses über ein Rohr 12 unter hohem Druck zum Expander der Expander-Kompressor-Einheit 13 und treibt einen oder mehrere Freikolben an, die wiederum den Kompressor antreiben. Vom Expander gelangt des Arbeitsmedium wie bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 über ein Rohr 15 zu einem Kondensor 16, in dem es durch Abgabe von Wärme kondensiert. Eine Speisepumpe 17 fördert das flüssige Arbeitsmedium zurück in die Sonnenkollektoren 6.
Die in der 4 dargestellte Expander-Kompressor-Einheit 13 ist wie die Expander-Kompressor-Einheit 13 aus 2 doppeltwirkend ausgebildet und sowohl innerhalb der Anlage gemäß 1 als auch innerhalb der Anlage gemäß 3 einsetzbar.
Die doppeltwirkende Expander-Kompressor-Einheit 13 nach 4 hat innerhalb eines druckfestes Gehäuses 30 drei voneinander getrennte, hintereinanderliegende zylindrische Hohlräume. In den beiden äußeren Hohlräumen ist jeweils ein Kolben 60, in dem mittleren Hohlraum ist ein Kolben 61 axial verfahrbar. Alle drei Kolben 60, 60 und 61 haben dieselbe Mittelachse und sind wie bei der Ausführung nach 2 über eine Kolbenstange 43 starr miteinander verbunden. Die Funktionen Expansion und Kompression sind bei dem Ausführungsbeispiel nach 4 invers zu dem Ausführungsbeispiel nach 2 auf die Kolben verteilt. Der mittlere, doppeltwirkende Kolben 61 ist der Kompressorkolben, zu dessen beiden Seiten sich die Verdichterkammern 44 und 46 befinden. Die beiden äußeren Kolben 60 sind jeweils einfachwirkende Freikolben des Expanders 24. Die jeweilige Arbeitskammer 33 und 34 befindet sich auf der dem mittleren Kolben 61 abgewandten Außenseite des jeweiligen Kolbens 60 und hat eine Kreisscheibe als Querschnitt. Hier befindet sich also der Kompressor 25 zwischen zwei Hälften des Expanders 24.
Jeder Arbeitskammer 33, 34 sind ein Zulaufventil 35 beziehungsweise 36 und ein Ablaufventil 37 beziehungsweise 38 zugeordnet. In nicht näher dargestellter Weise sind die Zulaufventile 35 und 36 gemeinsam mit dem Rohr 12 und die Ablaufventile 37 und 38 gemeinsam mit dem Rohr 15 verbunden. Die Ventile 35 bis 38 können wiederum elektromagnetisch, elektrohydraulisch oder auf andere Weise betätigbar sein. Die Kammern auf der anderen Seite der Kolben 60 sind mit Atmosphäre verbunden.
Jeder Verdichterkammer 44, 46 sind ein Einlassventil 50 beziehungsweise 54 und ein Druckventil 52 beziehungsweise 55 zugeordnet. Die Einlassventile 50 sind als zur jeweiligen Verdichterkammer hin öffnende Rückschlagventile ausgebildet und gemeinsam mit der zum Verdampfer 19 führenden Leitung 21 verbunden. Die Druckventile 52 und 55, die als zu der jeweiligen Verdichterkammer hin sperrende Rückschlagventile ausgebildet sind, sind mit der zum Kondensor 18 führenden Leitung 22 verbunden.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 5 unterscheidet sich von den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen vor allem in zwei Punkten. Zum einen ist eine Speisepumpe 17 in die Expander-Kompressor-Einheit 13 integriert. Zum zweiten ist das Arbeitsmedium des ORC-Kreislaufs, also des thermodynamischen Kreislaufs, mit dem Kühlmittel identisch und durchfließt in einem einzigen Kreislauf nacheinander die der Kühlung und die dem Antrieb des Kompressors dienenden Komponenten. Der ORC-Kreislauf und der Kühlkreislauf bilden insofern nur Abschnitte eines einzigen Kreislaufs.
Ähnlich wie die Expander-Kompressor-Einheit 13 gemäß 4 hat auch die Einheit 13 nach 5 innerhalb eines druckfestes Gehäuses 30 drei voneinander getrennte zylindrische Hohlräume. In den beiden äußeren Hohlräumen ist jeweils ein Kolben 70 beziehungsweise 71, in dem mittleren Hohlraum ist ein Kolben 72 axial verfahrbar. Alle drei Kolben 70, 71 und 72 haben wiederum eine gemeinsame Mittelachse und sind wie bei den Ausführungen nach den 2 und 4 über eine Kolbenstange 43 starr miteinander verbunden. Der Kolben 70 bildet einen doppeltwirkenden Freikolben des Expanders 24, der Kolben 71 bildet einen doppeltwirkenden Kompressorkolben des Kompressors 25 und der Kolben 72 bildet einen doppeltwirkenden Förderkolben der Speisepumpe 17.
Der Freikolben 70 hat den größten Durchmesser aller drei Kolben. Auf seiner einen Seite befindet sich die Arbeitskammer 33 mit einem kreisscheibenförmigen Querschnitt, auf der anderen Seite die Arbeitskammer 34 mit einem kreisringförmigen Querschnitt. Die Arbeitskammer 33 ist also im Querschnitt größer als die Arbeitskammer 34.
Der Arbeitskammer 33 sind ein Zulaufventil 35 und ein Ablaufventil 37 und der Arbeitskammer 34 sind ein Zulaufventil 36 und ein Ablaufventil 38 zugeordnet. Die Zulaufventile 35 und 36 gemeinsam mit einem Rohr 12 und über dieses mit dem Verdampfer 5 verbunden, der durch einen oder mehrere Sonnenkollektoren gebildet wird. Die Ablaufventile 37 und 38 sind gemeinsam mit einem Rohr 15 und über dieses mit dem Kondensor 16 verbunden. Die Ventile 35 bis 38 können wiederum elektromagnetisch, elektrohydraulisch oder auf andere Weise betätigbar sein.
Der Kompressorkolben 71 hat den zweitgrößten Durchmesser der drei Kolben. Auf seiner einen Seite befindet sich die Verdichterkammer 44 mit einem kreisscheibenförmigen Querschnitt, auf der anderen Seite die Verdichterkammer 46 mit einem kreisringförmigen Querschnitt. Die Verdichterkammer 44 ist also im Querschnitt größer als die Verdichterkammer 46. Es wird also bei einer Expansion der größeren Arbeitskammer 33 die größere Verdichterkammer 44 und bei einer Expansion der kleineren Expansionskammer 34 die kleinere Verdichterkammer 46 verkleinert. Der Arbeitskammer 33 sind ein Zulaufventil 35 und ein Ablaufventil 37 und der Arbeitskammer 34 ein Zulaufventil 36 und ein Ablaufventil 38 zugeordnet. Diese Ventile sind zum Beispiel elektromagnetisch oder elektrohydraulisch betätigbar.
Der Verdichterkammer 44 sind ein Einlassventil 50 und ein Druckventil 52 und der Verdichterkammer 46 ein Einlassventil 54 und ein Druckventil 55 zugeordnet. Die Einlassventile 50 sind als zur jeweiligen Verdichterkammer hin öffnende Rückschlagventile ausgebildet und gemeinsam mit der zum Verdampfer 19 des Kühlkreislaufs führenden Leitung 21 verbunden. Die Druckventile 52 und 55, die als zu der jeweiligen Verdichterkammer hin sperrende Rückschlagventile ausgebildet sind, sind mit der zum Kondensor 18 führenden Leitung 22 verbunden. Der Kondensor 18 ist mit dem Kondensor 16 zu einer Baueinheit zusammengefasst.
Auf der einen Seite des Förderkolbens 72 der Speisepumpe 17 befindet sich eine Verdrängerkammer 73, der ein Einlassventil 74 und ein Druckventil 75 zugeordnet sind. Auf der anderen Seite des Förderkolbens 72 befindet sich eine Verdrängerkammer 76, der ein Einlassventil 77 und ein Druckventil 78 zugeordnet sind. Die beiden Einlassventile 74 und 77 sind als zu den Verdrängerkammern hin öffnende Rückschlagventile ausgebildet und gemeinsam über eine Leitung 79 mit dem Kondensor 18 fluidisch verbunden. Die beiden Druckventile 75 und 78 sind als zu den Verdrängerkammern hin sperrende Rückschlagventile ausgebildet und über eine Leitung 80 mit dem Verdampfer 5 fluidisch verbunden.
Der Kondensor 16 ist über eine Leitung 81, in der ein Expansionsventil oder eine Drossel 20 angeordnet ist, mit dem Verdampfer 19 fluidisch verbunden.
Gemäß dem beschriebenen Aufbau arbeitet die Anlage gemäß 5 in folgender Weise:

In den Sonnenkollektoren 6, die den Verdampfer 5 bilden, wird das Arbeits- und Kühlmittel erhitzt und verdampft, wobei sich in dem Verdampfer 5 ein hoher Druck ausbildet. Werden nun zum Beispiel das Zulaufventil 36 und das Ablaufventil 37 geöffnet, so strömt heißer Dampf unter hohem Druck in die Arbeitskammer 34 und erzeugt an dem Freikolben 70 eine Kraft, die die Einheit aus den drei Kolben 70, 71 und 72 gemäß der Ansicht nach 5 nach links bewegt. Aus der Arbeitskammer 33 wird Dampf in den Kondensor 16 verdrängt. In dem Kondensor 16 wird das Arbeits- und Kühlmittel durch Abgabe von Wärme verflüssigt. Vom Kondensor 16 strömt das Arbeits- und Kühlmittel über die Leitung 81 zu dem Expansionsventil 20 und über dieses in den Verdampfer 19. In dem Kondensor 16 steht das Arbeits- und Kühlmittel noch unter einem gewissen Druck, der über das Expansionsventil 20 weiter abgebaut wird. Im Verdampfer 19 ist der Druck niedrig und das Arbeits- und Kühlmittel verdampft unter Aufnahme von Wärmeenergie aus einem zu kühlenden Raum. Die Bewegung des Freikolbens 70 wird über die Kolbenstange 43 auf den Kompressorkolben 71 übertragen, so dass dem sich vergrößernden Verdichterkammer 46 über die Leitung 21 und über das Einlassventil 54 Dampf aus dem Verdampfer 19 zuströmt, während aus der sich verkleinernden Verdichterkammer 44 verdichteter Dampf in den Kondensor 18 verdrängt wird. In dem Kondensor 18 wird das Arbeits- und Kühlmittel durch Abgabe von Wärme flüssig.

Die Bewegung des Freikolbens 70 wird über die Kolbenstange 43 auch auf den Förderkolben 72 der Speisepumpe 17 übertragen, so dass der sich vergrößernden Verdrängerkammer 76 über die Leitung 79 und über das Einlassventil 77 flüssiges Arbeits- und Kühlmittel aus dem Kondensor 18 zuströmt, während aus der sich verkleinernden Verdrängerkammer 73 Arbeits- und Kühlmittel über das Druckventil 75 und über die Leitung 80 unter hohem Druck in den Verdampfer 5 verdrängt wird.
Im Verdampfer verdampft das Arbeits- und Kühlmittel. Wenn die drei Kolben in ihrer Bewegung nach links eine Endlage erreicht haben, hat die Anlage einen halben Zyklus durchlaufen. Dann werden das Einlassventil 36 und das Auslassventil 37 geschlossen und das Einlassventil 35 und das Auslassventil 38 geöffnet und es beginnt die zweite Hälfte eines Zyklus, während der sich die Kolben 70, 71 und 72 in der Ansicht gemäß 5 gemeinsam nach rechts bis zu einer zweiten Endlage bewegen und die Kammern an den Kolben, in die Arbeits- und Kühlmittel einströmt und aus denen Arbeits- und Kühlmittel verdrängt werden vertauscht sind.
Bei der Anlage gemäß 5 wird also der Druck, unter dem das Arbeits- und Kühlmittel steht, in zwei Stufen, nämlich im Expander 24 und über das Expansionsventil 20 abgebaut und in zwei Stufen, nämlich mit dem Kompressor 25 und der Speisepumpe 17 aufgebaut.
Bezugszeichenliste

5: Verdampfer
6: Sonnenkollektoren
7: Röhrensystem
8: Speisepumpe
12: Rohr
13: Expander-Kompressor-Einheit
15: Rohr
16: Kondensor
17: Speisepumpe
18: Kondensor
19: Verdampfer
20: Drosselorgan
21: Leitung
22: Leitung
24: Expander
25: Kompressor
30: druckfestes Gehäuse von 13
31: mittleres Gehäuseteil
32: Arbeitskolben
33: erste Arbeitskammer
34: zweite Arbeitskammer
35: Zulaufventil von 33
36: Zulaufventil von 34
37: Ablaufventil von 33
38: Ablaufventil von 34
39: seitliches Gehäuseteil
40: Kompressorkolben
41: seitliches Gehäuseteil
42: Kompressorkolben
43: Kolbenstange
44: Verdichterkammer
45: Kammer
46: Verdichterkammer
47: Kammer
50: Einlassventil
51: Kühlmitteleinlasskanal
52: Druckventil
53: Kühlmittelauslasskanal
54: Einlassventil
55: Druckventil
60: Kolben
61: Kolben
70: Kolben von 24
71: Kompressorkolben
72: Förderkolben
73: Verdrängerkammer
74: Einlassventil
75: Druckventil
76: Verdrängerkammer
77: Einlassventil
78: Druckventil
79: Leitung
80: Leitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 8908188 A1 [0002]
WO 8908188 [0003]

Claims

Anlage zur Kälteerzeugung mit Komponenten eines thermodynamischen Kreisprozesses, nämlich mit einem Verdampfer (5), in dem ein Arbeitsmedium in flüssiger Phase und in Dampfphase vorliegt, mit einem Expander (24), dem das Arbeitsmedium als Dampf vom Verdampfer her zuströmt und von dem ein Kompressor (25) eines Kühlkreislaufs antreibbar ist, mit einem Kondensor (16) zur Abkühlung und Verflüssigung des Arbeitsmediums nach dem Verlassen des Expanders (24), mit einer Speisepumpe (17), die verflüssigtes Arbeitsmedium zum Verdampfer (5) fördert, und mit einer Wärmequelle (6) zum Erwärmen des sich im Verdampfer (5) befindlichen Arbeitsmittels, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle (6) durch mindestens einen Sonnenkollektor gebildet wird.
Anlage nach Patentanspruch 1, wobei das Arbeitsmedium ein organisches Arbeitsmedium ist, dessen Siedepunkt niedriger ist als der Siedepunkt von Wasser.
Anlage nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei der Expander (24) einen Freikolben (32, 60, 70) umfasst, der eine Arbeitskammer (33, 34) begrenzt, in die über ein Zulaufventil (35, 36) in der Dampfphase befindliches Arbeitsmedium eingelassen wird, und wobei der Kompressor (25) ein Kolbenkompressor mit einem eine Verdichterkammer begrenzenden Kompressorkolben (40, 42, 61, 71) ist, der starr mit dem Freikolben (32, 60, 70) verbunden und vom Freikolben (32, 60, 70) antreibbar ist.
Anlage nach Patentanspruch 3, wobei sich zu beiden Seiten des Freikolbens (70) jeweils eine Arbeitskammer (33, 34) befindet.
Anlage nach Patentanspruch 3 oder 4, wobei sich zu beiden Seiten des Kompressorkolbens (61, 71) jeweils eine Verdichterkammer (44, 46) befindet.
Anlage nach Patentanspruch 3, 4 oder 5, wobei ein erster Kolben (40; 60; 71) und ein zweiter Kolben (42; 60; 71) über eine Kolbenstange (43) fest miteinander verbunden sind und wobei zwischen dem ersten Kolben (40; 60; 71) und dem zweiten Kolben (42; 60; 71) ein dritter Kolben (32; 61; 72) auf der Kolbenstange befestigt ist.
Anlage nach Patentanspruch 6, wobei der erste Kolben (60) und der zweite Kolben (60) an einander entgegen gerichteten Flächen jeweils eine Arbeitskammer (33, 34) begrenzen und der dritte Kolben (61) der Kompressorkolben ist.
Anlage nach den Patentansprüchen 4, 5 und 6, wobei der erste Kolben (70) der Freikolben ist und sich auf jeder Seite des ersten Kolbens (70) eine Arbeitskammer (33, 34) befindet, wobei der zweite Kolben (71) der Kompressorkolben ist und sich auf jeder Seite des Kompressorkolbens (71) eine Verdichterkammer (44, 46) befindet und wobei der dritte Kolben (72) der Förderkolben der Speisepumpe (17) ist.
Anlage nach einem vorhergehenden Patentanspruch, wobei dasselbe Fluid das fluide Kühlmedium des Kühlkreislaufs und das fluide Arbeitsmedium des thermodynamischen Kreisprozesses bildet.
Anlage nach Patentanspruch 9, wobei das Fluid nacheinander die Komponenten des Kühlkreislaufs und die Komponenten des thermodynamischen Kreisprozesses durchströmt und wobei das Fluid von einem Kondensor (18), in dem es nach der Verdichtung durch den Kompressor (25) kondensiert, der Speisepumpe (17) und von dem Kondensor (16), in dem es nach der Expansion im Expander (24) des thermodynamischen Kreisprozesses kondensiert, einer Expansionseinrichtung (20) zugeführt wird.
Anlage nach einem vorhergehenden Patentanspruch, wobei in einem solarthermischen Kreislauf ein fluider Wärmeträger in dem mindestens einen Sonnenkollektor (6) bis über die Siedetemperatur des Arbeitsmediums erwärmt wird, wobei der erwärmte fluide Wärmeträger zum Verdampfer (5) geführt wird und dort wie in einem Wärmetauscher, ohne mit dem Arbeitsmedium direkt in Kontakt zu kommen, das Arbeitsmedium bis über dessen Siedetemperatur erwärmt und wobei der fluide Wärmeträger vom Verdampfer (5) zu dem mindestens einen Sonnenkollektor (6) zurückgeführt wird.
Anlage nach einem der Patentansprüche 1 bis 10, wobei der Verdampfer (5) für das Arbeitsmedium des thermodynamischen Kreislaufs durch den mindestens einen Sonnenkollektor (6) gebildet ist.
Anlage nach einem vorhergehenden Patentanspruch, wobei im Kondensor (18) Wärmeenergie aus dem thermodynamischen Kreislauf zur Vorwärmung des Wärmeträgers des solarthermischen Kreislaufs genutzt wird.
Anlage nach einem vorhergehenden Patentanspruch, wobei eine Photovoltaikanlage integriert ist, von der Energie durch mindestens einen Heizstab direkt in den Verdampfer abgegeben wird.