DE102022110560A1 - Heat pump - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe, aufweisend ein Gas als Kältemittel, einen ersten Gegenstromwärmetauscher, einen Kompressor, einen ersten Wärmetauscher, einen zweiten Gegenstromwärmetauscher, wenigstens einen Generator, und einen zweiten Wärmetauscher.The invention relates to a heat pump, having a gas as a refrigerant, a first countercurrent heat exchanger, a compressor, a first heat exchanger, a second countercurrent heat exchanger, at least one generator, and a second heat exchanger.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe.The invention relates to a heat pump.

Hierbei handelt es sich um eine Vorrichtung, die thermische Energie aus der Umgebung aufnimmt. Durch den Einsatz technischer Arbeit wird diese als Nutzwärme auf ein zu wärmendes System übertragen.This is a device that absorbs thermal energy from the environment. Through the use of technical work, this is transferred as useful heat to a system to be warmed.

Bei Wärmepumpen wird meist ein bei Raumtemperatur flüssiges Kältemittel eingesetzt. Hierbei ändert sich jedoch der Aggregatszustand zwischen flüssig und gasförmig, wodurch die bei obigem Prozess auftretende Druckenergie nicht zurückgewonnen werden kann.Heat pumps usually use a refrigerant that is liquid at room temperature. However, the physical state changes between liquid and gaseous, meaning that the pressure energy that occurs in the above process cannot be recovered.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Wärmepumpe sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe zu schaffen, welche/s eine hohe Effizienz aufweist.It is therefore an object of the invention to create a heat pump and a method for operating a heat pump which has high efficiency.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch den Gegenstand sowie das Verfahren der unabhängigen Ansprüche.This task is solved through the subject matter and the method of the independent claims.

Erfindungsgemäß weist die Wärmepumpe ein Gas, vorzugsweise Luft, z.B. Umgebungsluft, als Kältemittel auf. Das Kältemittel ist bei Raumtemperatur somit gasförmig. Beispielsweise kann die Wärmepumpe auch als Druckluftwärmepumpe bezeichnet werden. Möglich ist diese Funktionalität aufgrund der inneren, thermischen Energie.According to the invention, the heat pump has a gas, preferably air, for example ambient air, as a refrigerant. The refrigerant is therefore gaseous at room temperature. For example, the heat pump can also be referred to as a compressed air heat pump. This functionality is possible due to the internal thermal energy.

Die Wärmepumpe weist einen ersten Gegenstromwärmetauscher auf. Vorzugsweise wird das Gas darin erwärmt.The heat pump has a first countercurrent heat exchanger. Preferably the gas is heated therein.

Der erste Gegenstromwärmetauscher kann beispielsweise einen Wirkungsgrad von mindestens 90 % aufweisen.The first countercurrent heat exchanger can, for example, have an efficiency of at least 90%.

Die Wärmepumpe weist einen Kompressor auf. Der Kompresser kann auch als Verdichter bezeichnet werden. Dieser dient dazu, das Gas zu verdichten.The heat pump has a compressor. The compressor can also be called a compressor. This serves to compress the gas.

Beim Komprimieren erwärmt sich das Gas aufgrund von Reibungsverlusten des Kompressors sowie aufgrund der Wärmeenergie, also der inneren, thermischen Energie des Gases. Da das Gas nach dem Komprimieren weniger Volumen zur Verfügung hat als zuvor, erwärmt sich dieses stark.When compressed, the gas heats up due to friction losses from the compressor and due to thermal energy, i.e. the internal thermal energy of the gas. Since the gas has less volume available after compression than before, it heats up significantly.

Dies führt zu einem zusätzlichen Druckanstieg aufgrund der thermischen Ausdehnung.This leads to an additional increase in pressure due to thermal expansion.

Beim Abkühlen des Gases, z.B. der Druckluft, auf Umgebungsniveau, geht diese Energie meistens verloren. Zusätzlich fällt hier der Druck anschließend ebenfalls, da sich das Gas beim Abkühlen wieder zusammenzieht.When the gas, e.g. compressed air, cools down to ambient level, this energy is usually lost. In addition, the pressure also drops here as the gas contracts again as it cools down.

Die Wärmepumpe weist einen ersten Wärmetauscher, z.B. Wasserwärmetauscher, auf.The heat pump has a first heat exchanger, e.g. water heat exchanger.

Die durch den ersten Wärmetauscher abgeführte Wärme kann z.B. zum Heizen genutzt werden.The heat dissipated by the first heat exchanger can be used, for example, for heating.

Nach dem ersten Wärmetauscher kann das Gas noch eine gewisse Wärme aufweisen. Vorzugsweise wird das Gas daher in den ersten Gegenstromwärmetauscher geführt. So kann die Wärme genutzt werden, um das einströmende Gas, welches zum Kompressor geführt wird, zu wärmen.After the first heat exchanger, the gas may still have a certain amount of heat. The gas is therefore preferably fed into the first countercurrent heat exchanger. The heat can be used to warm the incoming gas, which is led to the compressor.

Der erste Gegenstromwärmetauscher, der Kompressor und/oder der erste Wärmetauscher können als separate Bauteile ausgebildet sein. Alternativ können wenigstens zwei dieser Bauteile als eine Einheit ausgebildet sein.The first countercurrent heat exchanger, the compressor and/or the first heat exchanger can be designed as separate components. Alternatively, at least two of these components can be designed as a unit.

Der erste Gegenstromwärmetauscher kann mit dem Kompressor, vorzugsweise am Eingang des Kompressors, und/oder dem ersten Wärmetauscher, vorzugsweise am Ausgang des ersten Wärmetauschers, angeordnet sein.The first countercurrent heat exchanger can be arranged with the compressor, preferably at the inlet of the compressor, and/or the first heat exchanger, preferably at the outlet of the first heat exchanger.

Beispielsweise kann der Kompresser mit dem ersten Wärmetauscher thermisch gekoppelt sein.For example, the compressor can be thermally coupled to the first heat exchanger.

Die Wärmepumpe weist einen zweiten Gegenstromwärmetauscher auf.The heat pump has a second countercurrent heat exchanger.

Der zweite Gegenstromwärmetauscher kann beispielsweise einen Wirkungsgrad von mindestens 90 % aufweisen.The second countercurrent heat exchanger can, for example, have an efficiency of at least 90%.

Im zweiten Gegenstromwärmetauscher kühlt sich das Gas weiter ab.The gas cools down further in the second countercurrent heat exchanger.

Die Wärmepumpe weist wenigstens einen Generator auf. Bei dem Generator kann es sich vorzugsweise um eine Turbine, einen Entspanner und/oder eine Drossel handeln.The heat pump has at least one generator. The generator can preferably be a turbine, an expander and/or a throttle.

So kann die im Kompressor erzeugte Energie in Form von Druck wieder möglichst gut zurückgewonnen werden.This means that the energy generated in the compressor can be recovered as effectively as possible in the form of pressure.

Beim Entspannen des Gases im Generator nimmt die Temperatur weiter ab. So kühlt das Gas auf ein Temperaturniveau unterhalb des Ausgangszustandes ab.As the gas in the generator expands, the temperature continues to decrease. In this way, the gas cools down to a temperature level below its initial state.

Die Wärmepumpe weist einen zweiten Wärmetauscher, z.B. Wasserwärmetauscher, auf.The heat pump has a second heat exchanger, e.g. water heat exchanger.

Das im Generator entspannte Gas ist im zweiten Wärmetauscher bestrebt, Wärmeenergie aufzunehmen. Der zweite Wärmetauscher kann somit zum Kühlen verwendet werden.The gas expanded in the generator strives to absorb thermal energy in the second heat exchanger. The second heat exchanger can therefore be used for cooling.

Nach dem zweiten Wärmetauscher ist das Gas noch vergleichsweise kalt. Vorzugsweise wird das Gas daher in den zweiten Gegenstromwärmetauscher geführt. So kann die Kälte genutzt werden, um das einströmende Gas, welches zum Generator geführt wird, zu kühlen.After the second heat exchanger, the gas is still comparatively cold. The gas is therefore preferably fed into the second countercurrent heat exchanger. The cold can be used to cool the incoming gas, which is led to the generator.

Das einströmende Gas zum Kompressor bzw. Generator kann mit dem ausströmenden Gas aus den Wärmetauschern vorgeheizt bzw. vorgekühlt werden.The gas flowing in to the compressor or generator can be preheated or precooled with the gas flowing out of the heat exchangers.

Dadurch wird ein großer Anteil an Energie zurückgewonnen.This means that a large proportion of energy is recovered.

Die Temperatur wird vorzugsweise über die Durchflussgeschwindigkeit des ersten und zweiten Wärmetauschers bzw. durch ein zyklisches Ein- und/oder Ausschalten des Kompressors geregelt.The temperature is preferably regulated via the flow rate of the first and second heat exchangers or by cyclically switching the compressor on and/or off.

Der zweite Gegenstromwärmetauscher, der Generator und/oder der zweite Wärmetauscher können als separate Bauteile ausgebildet sein. Alternativ können wenigstens zwei dieser Bauteile als eine Einheit ausgebildet sein.The second countercurrent heat exchanger, the generator and/or the second heat exchanger can be designed as separate components. Alternatively, at least two of these components can be designed as a unit.

Der zweite Gegenstromwärmetauscher kann mit dem Generator, vorzugsweise am Eingang des Generators, und/oder dem zweite Wärmetauscher, vorzugsweise am Ausgang des zweiten Wärmetauschers, angeordnet sein.The second countercurrent heat exchanger can be arranged with the generator, preferably at the inlet of the generator, and/or the second heat exchanger, preferably at the outlet of the second heat exchanger.

Beispielsweise kann der Generator mit dem zweiten Wärmetauscher thermisch gekoppelt sein.For example, the generator can be thermally coupled to the second heat exchanger.

Da durch die beiden Gengenstromwärmetauscher sowie den Generator wieder viel Energie zurückgewonnen wird, weist die Wärmepumpe insgesamt eine hohe Effizienz auf.Since a lot of energy is recovered by the two counterflow heat exchangers and the generator, the heat pump is highly efficient overall.

Weiterbildungen der Erfindung sind auch den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen zu entnehmen.Further developments of the invention can also be found in the dependent claims, the description and the accompanying drawings.

Gemäß einer Ausführungsform sind der Kompressor und der erste Wärmetauscher derart miteinander verbunden, dass ein Verdichten des Gases isotherm erfolgt.According to one embodiment, the compressor and the first heat exchanger are connected to one another in such a way that the gas is compressed isothermally.

Vorzugsweise können die Gegenstromwärmetauscher in Verbindung mit einer guten thermischen Kopplung zu einer annähernd isothermen Verdichtung bzw. Entspannung führen. Temperaturveränderungen werden direkt nach dem Auftreten in den Wärmetauschern abgeführt bzw. durch die Gegenstromwärmetauscher an das einströmende Gas übertragen.Preferably, the countercurrent heat exchangers, in conjunction with good thermal coupling, can lead to an approximately isothermal compression or expansion. Temperature changes are dissipated directly after they occur in the heat exchangers or are transferred to the incoming gas through the countercurrent heat exchangers.

Druckänderungen beim Austausch der Wärmeenergie treten vorzugsweise kaum oder gar nicht auf, da der Druck durch das Volumen kompensiert wird.Pressure changes during the exchange of heat energy preferably occur little or not at all, since the pressure is compensated for by the volume.

Wird ein Gas erhitzt oder gekühlt, dehnt sich dieses aus bzw. zieht sich zusammen.When a gas is heated or cooled, it expands or contracts.

In einem abgeschlossenen Behälter würde eine Druckveränderung auftreten. Daher ist es vorteilhaft, den Kompresser und den ersten Wärmetauscher miteinander zu verbinden, sodass ein quasi offenes System vorliegt.A pressure change would occur in a sealed container. It is therefore advantageous to connect the compressor and the first heat exchanger to one another, so that there is a quasi-open system.

Die Druckverhältnisse des Gesamtsystems werden nicht wesentlich beeinflusst. Die Luft, die zum Beispiel zum Kompressor strömt, nimmt Wärme auf und will sich ausdehnen.The pressure conditions of the entire system are not significantly influenced. The air that flows to the compressor, for example, absorbs heat and wants to expand.

Da es sich hier um kein abgeschlossenes System handelt und die Strömungswiderstände dementsprechend gering sind, führt dies zu einer möglichst gleichmäßigen Volumenzunahme bzw. Abnahme der Strömungsgeschwindigkeit durch den Gegenstromwärmetauscher.Since this is not a closed system and the flow resistance is correspondingly low, this leads to the most uniform increase in volume or decrease in flow velocity through the countercurrent heat exchanger.

Um eine isotherme Verdichtung bzw. Entspannung zu erreichen, ist es notwendig, die dabei entstehende Wärme bzw. Kälte so schnell wie möglich abzuführen, damit diese nicht den Druck bzw. die Kompression beeinflussen kann.In order to achieve isothermal compression or expansion, it is necessary to dissipate the resulting heat or cold as quickly as possible so that it cannot influence the pressure or compression.

Um dies zu erreichen, können beispielsweise mehrstufige Verdichter eingesetzt werden. Alternativ wäre ein sehr langsames Verdichten möglich, was jedoch viel Zeit benötigt, um sich mit der Umgebung auszutauschen.To achieve this, multi-stage compressors can be used, for example. Alternatively, very slow compression would be possible, but this would require a lot of time to communicate with the environment.

Alternativ können der Kompressor sowie der erste Wärmetauscher in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein.Alternatively, the compressor and the first heat exchanger can be arranged in a common housing.

Ferner kann ein dem Kompressor bzw. dem ersten Wärmetauscher zugewandter Abschnitt des ersten Gegenstromwärmetauschers im Gehäuse angeordnet sein.Furthermore, a section of the first countercurrent heat exchanger facing the compressor or the first heat exchanger can be arranged in the housing.

Im Gehäuse können vorzugsweise Verhältnisse wie in einem Wärmebad vorliegen.Conditions in the housing can preferably be like those in a heat bath.

Vorzugsweise kann wenigstens ein Aktor im Gehäuse vorgesehen sein.At least one actuator can preferably be provided in the housing.

In diesem Gehäuse kann beispielsweise ein Medium, vorzugsweise ein Gas, z.B. Luft, zirkulieren. Das Gas kann beispielsweise durch einen Zwangslüfter des Aktors umgewälzt werden.For example, a medium, preferably a gas, such as air, can circulate in this housing. The gas can be circulated, for example, by a forced fan of the actuator.

Bei dem Zwangslüfter kann es sich z.B. um das Lüftungsrad bei einem herkömmlichen Elektromotor handeln, das zwanghaft mit der Motorwelle mit dreht, da es darauf sitzt und somit den Motor kühlt bzw. die Luft um den Motor herum umwälzt.The forced fan can be, for example, the ventilation wheel in a conventional electric motor, which rotates with the motor shaft because it sits on it and thus cools the motor or circulates the air around the motor.

Alternativ zu Gas sind auch andere Medien wie z.B. Öl denkbar. Diese Medien können z.B. aufgrund der spezifischen Wärmekapazität in Verbindung mit der thermischen Leitfähigkeit und/oder der Zirkulationsgeschwindigkeit vorteilhaft sein.As an alternative to gas, other media such as oil are also conceivable. These media can be advantageous, for example, due to the specific heat capacity in conjunction with the thermal conductivity and/or the circulation speed.

Falls nun z.B. bei der Kompression eine Erhöhung der Temperatur auftritt, wird diese möglichst schnell an das Medium im Gehäuse abgegeben. Dieses gibt die Energie wiederum an den ersten Wärmetauscher und/oder einem dem Kompressor bzw. dem ersten Wärmetauscher zugewandten Abschnitt des ersten Gegenstromwärmetauschers ab.If, for example, an increase in temperature occurs during compression, this will be transferred to the medium in the housing as quickly as possible. This in turn releases the energy to the first heat exchanger and/or a section of the first countercurrent heat exchanger facing the compressor or the first heat exchanger.

Dadurch kann beispielsweise eine unnötige Erwärmung des Kompressors bzw. des zu komprimierenden Gases möglichst weit unterbunden werden. Kleinere Unterschiede von wenigen Kelvin sind hierbei noch vorhanden, denn ohne Temperaturdifferenzen würde es auch keine thermischen Energieflüsse mehr geben.This means, for example, that unnecessary heating of the compressor or the gas to be compressed can be prevented as much as possible. Smaller differences of a few Kelvin are still present, because without temperature differences there would no longer be any thermal energy flows.

Nach einer weiteren Ausführungsform sind der Generator und der zweite Wärmetauscher derart miteinander verbunden, dass ein Entspannen des Gases isotherm erfolgt.According to a further embodiment, the generator and the second heat exchanger are connected to one another in such a way that the gas is expanded isothermally.

Diesbezüglich wird auf obige Ausführungen im Zusammenhang mit dem Kompressor und dem ersten Wärmetauscher verwiesen. Diese Aussagen sind entsprechend auf den Generator, den zweiten Wärmetauscher sowie den zweiten Gegenstromwärmetauscher übertragbar.In this regard, reference is made to the above statements in connection with the compressor and the first heat exchanger. These statements can be transferred accordingly to the generator, the second heat exchanger and the second countercurrent heat exchanger.

Beispielsweise können der Generator sowie der zweite Wärmetauscher in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein.For example, the generator and the second heat exchanger can be arranged in a common housing.

Ferner kann ein dem Generator bzw. dem zweiten Wärmetauscher zugewandter Abschnitt des zweiten Gegenstromwärmetauschers im Gehäuse angeordnet sein.Furthermore, a section of the second countercurrent heat exchanger facing the generator or the second heat exchanger can be arranged in the housing.

Im Gehäuse können vorzugsweise Verhältnisse wie in einem Wärmebad vorliegen.Conditions in the housing can preferably be like those in a heat bath.

Die verdichtete, innere thermische Energie des unter Druck stehenden Gases kann vorzugsweise in Form von Wärme möglichst isotherm abgeführt werden.The compressed, internal thermal energy of the pressurized gas can preferably be dissipated as isothermally as possible in the form of heat.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Wärmepumpe einen Kältetrockner auf.According to a further embodiment, the heat pump has a refrigeration dryer.

Der Kältetrockner kann vorzugsweise zwischen dem Ausgang des ersten Gegenstromwärmetauschers und dem Eingang des zweiten Gegenstromwärmetauschers angeordnet sein.The refrigeration dryer can preferably be arranged between the outlet of the first countercurrent heat exchanger and the inlet of the second countercurrent heat exchanger.

Der Kältetrockner dient vorzugsweise der Abscheidung von Feuchtigkeit, z.B. Luftfeuchtigkeit, über den Drucktaupunkt, damit die Feuchtigkeit im Bereich des zweiten Wärmetauschers nicht gefrieren und somit zu Verstopfungen oder schlechten Wärmeübergängen führt.The refrigeration dryer is preferably used to separate moisture, e.g. air humidity, above the pressure dew point so that the moisture does not freeze in the area of the second heat exchanger and thus lead to blockages or poor heat transfer.

Nach einer weiteren Ausführungsform sind wenigstens zwei Generatoren vorgesehen.According to a further embodiment, at least two generators are provided.

Diese können zum Entspannen der Druckluft dienen.These can be used to relax the compressed air.

So können die Generatoren z.B. einen Zwischenraum generieren. In diesem Zwischenraum kann der Gasdruck beispielsweise zwischen etwa 6 bis 8 bar absolut gehalten werden (Gesamtkompression ca. 10 bis 16 bar).For example, the generators can generate a gap. In this space, the gas pressure can be kept between approximately 6 to 8 bar absolute (total compression approximately 10 to 16 bar).

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zwischen den zwei Generatoren ein Ventil vorgesehen.According to a further embodiment, a valve is provided between the two generators.

Über das Ventil kann ein Teil des Gasdrucks beispielsweise in einen separaten, thermisch isolierten Behälter geleitet werden. Vorzugsweise kann Gas derart abgeleitet werden, dass sich eine Temperatur von ca. -50 bis -55°C einstellen kann.For example, part of the gas pressure can be directed via the valve into a separate, thermally insulated container. Preferably, gas can be diverted in such a way that a temperature of approximately -50 to -55 ° C can be established.

Bei einer Kompression von 7 bar sind Temperaturen von 258°C, also ca. 238°C Unterschied zu 20°C, möglich.With a compression of 7 bar, temperatures of 258°C are possible, i.e. a difference of approx. 238°C to 20°C.

Da unter Druck stehende Luft bei 20°C auch in etwa die Energie aufnimmt, die sie bereits im Bereich des ersten Wärmetauschers abgegeben hat, und dies, bei Entspannung, zu der demensprechenden Kühlung resultiert, stellen 75 K Temperaturunterschied auf -55°C von 20°C kein Problem dar.Since pressurized air at 20°C also absorbs approximately the energy that it has already given off in the area of the first heat exchanger, and this, when relaxed, results in the corresponding cooling, a 75 K temperature difference represents -55°C of 20 °C is not a problem.

Dies entspricht in etwa dem Dampfdruck, an dem CO2 von seinem gasförmigen Aggregatszustand in den flüssigen Aggregatszustand wechselt.This roughly corresponds to the vapor pressure at which CO2 changes from its gaseous state to the liquid state.

Nach einer weiteren Ausführungsform weist die Wärmepumpe einen CO2-Abscheider auf.According to a further embodiment, the heat pump has a CO2 separator.

Da die Feuchtigkeit im Gas z.B. über den Kältetrockner abgetrennt werden kann und Kohlenstoffdioxid das Gas in unserer Atmosphäre ist, das den geringsten Dampfdruck besitzt, ist eine möglichst reine Abscheidung des im Gas enthaltenen Kohlenstoffdioxids möglich.Since the moisture in the gas can be separated using a refrigeration dryer, for example, and carbon dioxide is the gas in our atmosphere that has the lowest vapor pressure, the purest possible separation of the carbon dioxide contained in the gas is possible.

Durch die Verflüssigung kann aufgrund der Kondensationswärme (Verdampfungswärme) gegebenenfalls etwas Wärme entstehen, welche den Prozess des Kühlens hemmt. Da der Volumenanteil von CO2 jedoch lediglich 0,04% beträgt, kann dieser Anteil vernachlässigt werden. Andernfalls könnten weitere Wärmetauscher und/oder eine Kühlung für den Abscheider vorgesehen werden. Beispielsweise könnte somit ein CO2-Kältetrockner aufgebaut werden.Liquefaction may generate some heat due to the heat of condensation (heat of vaporization), which inhibits the cooling process. However, since the volume share of CO2 is only 0.04%, this share can be ignored. Otherwise, additional heat exchangers and/or cooling could be provided for the separator. For example, a CO2 refrigeration dryer could be built.

Insgesamt kann mit der erfindungsgemäßen Wärmepumpe effizienter als mit herkömmlichen Wärmepumpen geheizt und/oder gekühlt werden. Optional besteht die Möglichkeit, sowohl Wasser in Form der Feuchtigkeit des Gases und/oder CO2 kostengünstig und flüssig zu separieren.Overall, the heat pump according to the invention can be used to heat and/or cool more efficiently than with conventional heat pumps. It is optionally possible to separate both water in the form of the moisture in the gas and/or CO2 in a cost-effective and liquid manner.

Ferner besteht die Möglichkeit, einen Teil des Gasdrucks nach dem Kältetrockner abzuzweigen und für Druckluftanwendungen zu verwenden.It is also possible to divert part of the gas pressure after the refrigeration dryer and use it for compressed air applications.

Vorzugsweise kann die Wärmepumpe einen Druckluftspeicher aufweisen.Preferably, the heat pump can have a compressed air storage.

Vor allem bei regenerativen Energien wie Sonne oder Wind kommt es häufig zu Leistungsspitzen, etwa bei starker Sonneneinstrahlung bzw. bei viel Wind. Andersherum kommt es natürlich auch vor, dass es sogenannte Flauten gibt, in denen weder Sonnenenergie in Form von Licht noch Wind vorhanden sind.Power peaks often occur, especially with renewable energies such as sun or wind, for example when there is strong sunlight or there is a lot of wind. Conversely, it also happens that there are so-called lulls in which there is neither solar energy in the form of light nor wind.

Daher kann wenigstens ein Druckluftspeicher sinnvoll sein. Druckluftspeicher gewinnen im Vergleich zu Akkus immer mehr an Bedeutung, da sie einfach, robust, langlebig und kostengünstig sind und dabei keine seltenen Rohstoffe verbrauchen oder an Kapazität verlieren.Therefore at least one compressed air storage can make sense. Compressed air storage systems are becoming more and more important compared to batteries because they are simple, robust, long-lasting and cost-effective and do not use rare raw materials or lose capacity.

Auf diese Weise kann die Wärmepumpe nicht nur jede herkömmliche Wärmepumpe sondern auch jeden Druckluftkompressor ersetzen. Solang Wärme benötigt wird, läuft dieses System als Wärmepumpe, wird Druckluft benötigt, verliert der Generator an Bedeutung und die Wärmepumpe läuft als Druckluftkompressor mit Wärmerückgewinnung.In this way, the heat pump can replace not only any conventional heat pump but also any compressed air compressor. As long as heat is needed, this system runs as a heat pump. If compressed air is needed, the generator becomes less important and the heat pump runs as a compressed air compressor with heat recovery.

Die Rückgewinnung der Druckenergie ist mit herkömmlichen Wärmepumpen schlecht bis gar nicht möglich aufgrund der Änderung des Aggregatzustandes des Kältemittels von flüssig zu gasförmig bzw. andersherum und den damit verbundenen Volumenänderungen (Faktor 800 bis 1200). Diese Nachteile werden durch die erfindungsgemäße Wärmepumpe ausgeräumt.The recovery of pressure energy is difficult or impossible with conventional heat pumps due to the change in the physical state of the refrigerant from liquid to gaseous or vice versa and the associated volume changes (factor 800 to 1200). These disadvantages are eliminated by the heat pump according to the invention.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Wärmepumpe, vorzugsweise der erste und/oder zweite Wärmetauscher, wenigstens ein Peltier-Element auf.According to a further embodiment, the heat pump, preferably the first and/or second heat exchanger, has at least one Peltier element.

Vorzugsweise sind zwei Peltier-Elemente vorgesehen. Beispielsweise kann ein Peltier-Element am ersten Wärmetauscher und ein weiteres Peltier-Element am zweiten Wärmetauscher angeordnet sein.Two Peltier elements are preferably provided. For example, a Peltier element can be arranged on the first heat exchanger and another Peltier element on the second heat exchanger.

Grundsätzlich soll im Bereich des ersten Wärmetauschers genau so viel Wärmeenergie abgegeben werden, wie im Bereich des zweiten Wärmetauschers aufgenommen wird.In principle, exactly as much heat energy should be given off in the area of the first heat exchanger as is absorbed in the area of the second heat exchanger.

Da jedoch meist nicht genau so viel Wärme wie Kälte benötigt wird, kann dies zu einer Überhitzung im Bereich des ersten Wärmetauschers oder zu einer Unterkühlung im Bereich des zweiten Wärmetauschers führen, was hauptsächlich durch die Gegenstromwärmetauscher verursacht wird, die die Temperaturen ausgleichen sollen.However, since not exactly as much heat as cold is usually required, this can lead to overheating in the area of the first heat exchanger or to undercooling in the area of the second heat exchanger, which is mainly caused by the countercurrent heat exchangers that are intended to equalize the temperatures.

So können beispielsweise Kühlkörper mit Lüfter, z.B. Ventilatoren, die überschüssige Wärme bzw. Kälte an die Umgebung abgeben können, vorgesehen sein, um den Prozess im Gleichgewicht zu halten.For example, heat sinks with fans, e.g. fans that can release excess heat or cold to the environment, can be provided to keep the process in balance.

Diese Energieabnahme bzw. Energieaufnahme kann vorzugsweise über die Drehzahl der Lüfter geregelt werden. Diese können in einem Luftkanal, z.B. einem Rohr, angeordnet sein, das bei ausgeschalteten Lüftern zu einem Wärmestau bzw. Kältestau führt.This energy consumption or energy consumption can preferably be regulated via the speed of the fans. These can be arranged in an air duct, e.g. a pipe, which leads to a build-up of heat or cold when the fans are switched off.

Durch den Luftkanal bzw. Wärmestau wird bei ausgeschalteten Lüftern keine oder nur kaum Wärme bzw. Kälte verschwendet.Due to the air duct or heat accumulation, little or no heat or cold is wasted when the fans are switched off.

Die Luft in dem Rohr kann als Isolator zur Umgebung dienen. Soll Wärme oder Kälte abgeführt werden, erzeugen die Lüfter eine künstliche Konvektion, wodurch die zur Isolierung eingesetzte Luft dazu dient, die überschüssige Energie abzugeben bzw. aufzunehmen.The air in the pipe can serve as an insulator from the environment. If heat or cold is to be dissipated, the fans generate artificial convection, whereby the air used for insulation is used to release or absorb excess energy.

Dies kann vorzugsweise durch, z.B. elektrische und/oder mechanische, Klappen verstärkt werden. Die Klappen können vorzugsweise an den Enden des Rohres angeordnet sein. Elektrische Klappen können z.B. gesteuert werden. Mechanische Klappen können sich aufgrund der Konvektion und/oder der Strömungsrichtung auch automatisch öffnen bzw. schließen.This can preferably be reinforced by, for example, electrical and/or mechanical flaps. The flaps can preferably be arranged at the ends of the tube. Electric flaps can be controlled, for example. Mechanical flaps can also open or close automatically based on convection and/or flow direction.

Um die Energieflüsse zu nutzen, können zwischen den Wärmetauschern und den Kühlkörpern Peltier-Elemente vorgesehen sein.In order to utilize the energy flows, Peltier elements can be provided between the heat exchangers and the heat sinks.

Diese sind gewissermaßen rein elektrische Wärmepumpen, die sich ebenso umgekehrt einsetzen lassen. Also nicht nur, um Wärmeenergie von der kalten Seite auf die warme Seite zu pumpen, sondern auch, um einen vorhandenen Temperaturunterschied nutzen zu können, um daraus elektrische Energie zu erzeugen.These are, so to speak, purely electric heat pumps that can also be used in reverse. Not only to pump heat energy from the cold side to the warm side, but also to be able to use an existing temperature difference to generate electrical energy.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe, bei dem das Gas im ersten Gegenstromwärmetauscher erwärmt wird.The invention further relates to a method for operating a heat pump according to the invention, in which the gas is heated in the first countercurrent heat exchanger.

Anschließend wird das Gas im Kompressor verdichtet.The gas is then compressed in the compressor.

Daraufhin gibt das Gas im ersten Wärmetauscher Wärme ab.The gas then gives off heat in the first heat exchanger.

Weiter gibt das Gas im ersten Gegenstromwärmetauscher Wärme ab.The gas also gives off heat in the first countercurrent heat exchanger.

Auf diese Weise kann im ersten Gegenstromwärmetauscher das einströmende bzw. angesaugte Gas vorgewärmt werden.In this way, the incoming or sucked gas can be preheated in the first countercurrent heat exchanger.

Das Gas wird nun im zweiten Gegenstromwärmetauscher abgekühlt.The gas is now cooled in the second countercurrent heat exchanger.

Daraufhin wird das Gas im Generator entspannt.The gas in the generator is then expanded.

Anschließend nimmt das Gas im zweiten Wärmetauscher Wärme auf.The gas then absorbs heat in the second heat exchanger.

Schließlich nimmt das Gas im zweiten Gegenstromwärmetauscher Wärme auf.Finally, the gas absorbs heat in the second countercurrent heat exchanger.

Auf diese Weise kann im zweiten Gegenstromwärmetauscher das einströmende Gas vorgekühlt werden.In this way, the incoming gas can be pre-cooled in the second countercurrent heat exchanger.

Gemäß einer Ausführungsform wird Feuchtigkeit des Gases und/oder CO2 abgeschieden.According to one embodiment, moisture of the gas and/or CO2 is separated.

Alle hier beschriebenen Ausführungsformen und Bauteile der Vorrichtung sind vorzugsweise dazu ausgebildet, z.B. mittels einer Steuerungsvorrichtung, nach dem hier beschriebenen Verfahren betrieben zu werden. Ferner können alle hier beschriebenen Ausführungsformen der Vorrichtung sowie alle hier beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens jeweils miteinander kombiniert werden, vorzugsweise auch losgelöst von der konkreten Ausgestaltung, in deren Zusammenhang sie erwähnt werden.All embodiments and components of the device described here are preferably designed to be operated according to the method described here, for example by means of a control device. Furthermore, all embodiments of the device described here and all embodiments of the method described here can each be combined with one another, preferably also independently of the specific embodiment in the context of which they are mentioned.

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe,
  • 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe, und
  • 3 eine schematische Darstellung einer Schutzvorrichtung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe.
The invention is described below by way of example with reference to the drawings. Show it:
  • 1 a schematic representation of an embodiment of a heat pump according to the invention,
  • 2 a schematic representation of a further embodiment of a heat pump according to the invention, and
  • 3 a schematic representation of a protective device of an embodiment of a heat pump according to the invention.

Zunächst ist zu bemerken, dass die dargestellten Ausführungsformen rein beispielhafter Natur sind. So können einzelne Merkmale nicht nur in der gezeigten Kombination, sondern auch in Alleinstellung oder in anderen technisch sinnvollen Kombinationen realisiert sein. Beispielsweise können die Merkmale einer Ausführungsform beliebig mit Merkmalen einer anderen Ausführungsform kombiniert werden. Beispielsweise kann die in 3 gezeigte Schutzvorrichtung optional bei der in 1 und/oder 2 dargestellten Wärmepumpe eingesetzt werden.First of all, it should be noted that the embodiments shown are purely exemplary in nature. Individual features can be implemented not only in the combination shown, but also alone or in other technically sensible combinations. For example, the features of one embodiment can be combined in any way with features of another embodiment. For example, the in 3 The protective device shown is optional for the in 1 and or 2 The heat pump shown can be used.

Enthält eine Figur ein Bezugszeichen, welches im unmittelbar zugehörigen Beschreibungstext nicht erläutert wird, so wird auf die entsprechenden vorhergehenden bzw. nachfolgenden Ausführungen in der Figurenbeschreibung Bezug genommen. So werden für gleiche bzw. vergleichbare Bauteile in den Figuren dieselben Bezugszeichen verwendet und diese nicht nochmals erläutert.If a figure contains a reference symbol that is not explained in the directly associated description text, reference is made to the corresponding previous or subsequent statements in the figure description. The same reference numbers are used for the same or comparable components in the figures and these are not explained again.

1 zeigt eine Wärmepumpe mit einem ersten Gegenstromwärmetauscher 10, einem Kompressor 12 und einem ersten Wärmetauscher 14. 1 shows a heat pump with a first countercurrent heat exchanger 10, a compressor 12 and a first heat exchanger 14.

Optional können der Kompressor 12, der erste Wärmetauscher 14 sowie ein dem Kompressor 12 bzw. dem ersten Wärmetauscher 14 zugewandter Abschnitt des ersten Gegenstromwärmetauschers 10 in einem ersten Gehäuse 16 angeordnet sein.Optionally, the compressor 12, the first heat exchanger 14 and a section of the first countercurrent heat exchanger 10 facing the compressor 12 or the first heat exchanger 14 can be arranged in a first housing 16.

Im Gehäuse 16 können vorzugsweise Verhältnisse wie in einem Wärmebad vorliegen.Conditions in the housing 16 can preferably be those of a heat bath.

Die Wärmepumpe weist einen zweiten Gegenstromwärmetauscher 20, wenigstens einen Generator 22 und einen zweiten Wärmetauscher 24 auf.The heat pump has a second countercurrent heat exchanger 20, at least one generator 22 and a second heat exchanger 24.

Optional können der Generator 22, der zweite Wärmetauscher 24 sowie ein dem Generator 22 bzw. dem zweiten Wärmetauscher 24 zugewandter Abschnitt des zweiten Gegenstromwärmetauschers 20 in einem zweiten Gehäuse 26 angeordnet sein.Optionally, the generator 22, the second heat exchanger 24 and a section of the second countercurrent heat exchanger 20 facing the generator 22 or the second heat exchanger 24 can be arranged in a second housing 26.

Im Gehäuse 26 können vorzugsweise Verhältnisse wie in einem Wärmebad vorliegen.Conditions in the housing 26 can preferably be those of a heat bath.

Ein Gas 28, z.B. Umgebungsluft, wird im ersten Gegenstromwärmetauscher 10 erwärmt, im Kompressor 12 verdichtet, und gibt im ersten Wärmetauscher 14 sowie im ersten Gegenstromwärmetauscher 10 Wärme ab.A gas 28, for example ambient air, is heated in the first countercurrent heat exchanger 10, compressed in the compressor 12, and gives off heat in the first heat exchanger 14 and in the first countercurrent heat exchanger 10.

Das Gas 28 wird im zweiten Gegenstromwärmetauscher 20 abgekühlt, im Generator 22 entspannt und nimmt im zweiten Wärmetauscher 24 sowie im zweiten Gegenstromwärmetauscher 20 Wärme auf und tritt schließlich als Abluft 30 aus.The gas 28 is cooled in the second countercurrent heat exchanger 20, expanded in the generator 22 and absorbs heat in the second heat exchanger 24 and in the second countercurrent heat exchanger 20 and finally exits as exhaust air 30.

In 2 ist eine Wärmepumpe dargestellt, welche im Vergleich zur Darstellung in 1 zahlreiche optionale Bauteile aufweist. Diese Bauteile können jeweils einzeln oder in Kombination in der Wärmepumpe ergänzt werden. So ist es z.B. möglich, dass die Wärmepumpe zwar einen Kältetrockner 32 jedoch keine Druckluftspeicher 34 aufweist und umgekehrt. Entsprechend kann die Wärmepumpe sowohl einen Kältetrockner 32 als auch einen Druckluftspeicher 34 aufweisen.In 2 A heat pump is shown, which is compared to the illustration in 1 has numerous optional components. These components can be added individually or in combination to the heat pump. For example, it is possible that the heat pump has a refrigeration dryer 32 but no compressed air storage 34 and vice versa. Accordingly, the heat pump can have both a refrigeration dryer 32 and a compressed air storage 34.

Über den Kältetrockner 32 kann dem Gas 28 Feuchtigkeit 36 entzogen werden.Moisture 36 can be removed from the gas 28 via the refrigeration dryer 32.

Der Druckluftspeicher 34 kann Druckluft 38 speichern, welche für verschiedene Anwendungszwecke genutzt werden kann.The compressed air storage 34 can store compressed air 38, which can be used for various applications.

Es können optional zwei Generatoren 22 vorgesehen sein. Zwischen den Generatoren kann optional ein Ventil 40 angeordnet sein.Two generators 22 can optionally be provided. A valve 40 can optionally be arranged between the generators.

Das Ventil 40 kann optional mit einem CO2-Abscheider 42 verbunden sein, über den flüssiges CO2 44 abgeschieden werden kann.The valve 40 can optionally be connected to a CO2 separator 42, via which liquid CO2 44 can be separated.

Über Peltier-Elemente 46 kann ein Teil der nicht genutzten Energie rückgewonnen werden.Part of the unused energy can be recovered via Peltier elements 46.

3 zeigt eine Schutzvorrichtung, um eine Überhitzung am ersten Wärmetauscher 14 bzw. eine Unterkühlung am zweiten Wärmetauscher 24 zu verhindern. 3 shows a protective device to prevent overheating on the first heat exchanger 14 or undercooling on the second heat exchanger 24.

In einem Rohr 48 sind Lüfter 50 sowie ein Kühlkörper 52 vorgesehen.Fans 50 and a heat sink 52 are provided in a tube 48.

Der Kühlkörper 52 steht mit dem Peltier-Element 46 in Kontakt.The heat sink 52 is in contact with the Peltier element 46.

Gemeinsam mit den Lüftern 50 sorgt der Kühlkörper 52 dafür, dass überschüssige Wärme bzw. Kälte an die Umgebung abgegeben wird, um den Prozess im Gleichgewicht zu halten.Together with the fans 50, the heat sink 52 ensures that excess heat or cold is released into the environment in order to keep the process in balance.

BezugszeichenlisteReference symbol list

1010
erster Gegenstromwärmetauscherfirst countercurrent heat exchanger
1212
Kompressorcompressor
1414
erster Wärmetauscherfirst heat exchanger
1616
erstes Gehäusefirst housing
2020
zweiter Gegenstromwärmetauschersecond countercurrent heat exchanger
2222
Generatorgenerator
2424
zweiter Wärmetauschersecond heat exchanger
2626
zweites Gehäusesecond housing
2828
Gasgas
3030
AbluftExhaust air
3232
KältetrocknerRefrigeration dryer
3434
DruckluftspeicherCompressed air storage
3636
Feuchtigkeithumidity
3838
DruckluftCompressed air
4040
VentilValve
4242
CO2-AbscheiderCO2 separator
4444
CO2CO2
4646
Peltier-ElementPeltier element
4848
RohrPipe
5050
LüfterFan
5252
KühlkörperHeat sink

Claims (10)

Wärmepumpe, aufweisend ein Gas (28) als Kältemittel, einen ersten Gegenstromwärmetauscher (10), einen Kompressor (12), einen ersten Wärmetauscher (14), einen zweiten Gegenstromwärmetauscher (20), wenigstens einen Generator (22), und einen zweiten Wärmetauscher (24).Heat pump, comprising a gas (28) as a refrigerant, a first countercurrent heat exchanger (10), a compressor (12), a first heat exchanger (14), a second countercurrent heat exchanger (20), at least one generator (22), and a second heat exchanger (24). Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor (12) und der erste Wärmetauscher (14) derart miteinander verbunden sind, dass ein Verdichten des Gases (28) isotherm erfolgt.Heat pump after Claim 1 , characterized in that the compressor (12) and the first heat exchanger (14) are connected to one another in such a way that the gas (28) is compressed isothermally. Wärmepumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (22) und der zweite Wärmetauscher (24) derart miteinander verbunden sind, dass ein Entspannen des Gases (28) isotherm erfolgt.Heat pump after Claim 1 or 2 , characterized in that the generator (22) and the second heat exchanger (24) are connected to one another in such a way that the gas (28) is expanded isothermally. Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe einen Kältetrockner (32) aufweist.Heat pump according to one of the preceding claims, characterized in that the heat pump has a refrigeration dryer (32). Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Generatoren (22) vorgesehen sind.Heat pump according to one of the preceding claims, characterized in that at least two generators (22) are provided. Wärmepumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den zwei Generatoren (22) ein Ventil vorgesehen ist.Heat pump after Claim 5 , characterized in that a valve is provided between the two generators (22). Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe einen CO2-Abscheider (42) aufweist.Heat pump according to one of the preceding claims, characterized in that the heat pump has a CO2 separator (42). Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe, vorzugsweise der erste und/oder zweite Wärmetauscher (14, 24), wenigstens ein Peltier-Element (46) aufweist.Heat pump according to one of the preceding claims, characterized in that the heat pump, preferably the first and/or second heat exchanger (14, 24), has at least one Peltier element (46). Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Gas (28) im ersten Gegenstromwärmetauscher (10) erwärmt wird, im Kompressor (12) verdichtet wird, im ersten Wärmetauscher (14) sowie im ersten Gegenstromwärmetauscher (10) Wärme abgibt, das Gas (28) im zweiten Gegenstromwärmetauscher (20) abgekühlt wird, im Generator (22) entspannt wird und im zweiten Wärmetauscher (24) sowie im zweiten Gegenstromwärmetauscher (20) Wärme aufnimmt.Method for operating a heat pump according to one of the preceding claims, in which the gas (28) is heated in the first countercurrent heat exchanger (10), is compressed in the compressor (12), and gives off heat in the first heat exchanger (14) and in the first countercurrent heat exchanger (10). , the gas (28) is cooled in the second countercurrent heat exchanger (20), is expanded in the generator (22) and absorbs heat in the second heat exchanger (24) and in the second countercurrent heat exchanger (20). Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Feuchtigkeit (36) des Gases (28) und/oder CO2 (44) abgeschieden wird.Procedure according to Claim 9 , characterized in that moisture (36) of the gas (28) and / or CO2 (44) is separated.
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Citations (3)

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DE102007027725A1 (en) 2007-06-15 2008-12-18 Wolf Gmbh Method for producing useful heating and cooling energy, involves absorbing ambient air with turbo-heat pump, where compressed and warmed up air is produced in compression impeller of heat pump
EP2489774A1 (en) 2011-02-18 2012-08-22 Electrolux Home Products Corporation N.V. A heat pump laundry dryer
US20180179914A1 (en) 2016-12-28 2018-06-28 X Development Llc Use of Regenerator in Thermodynamic Cycle System

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