DE10212480A1

DE10212480A1 - Wärmepumpverfahren auf der Basis der Effekte der Siedepunkterhöhung bzw. Dampfdruckreduzierung

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Publication number: DE10212480A1
Application number: DE2002112480
Authority: DE
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Priority date: 2002-03-21
Filing date: 2002-03-21
Publication date: 2003-10-02

Description

Die Anmeldung betrifft ein Wärmepumpverfahren auf der Basis der an sich bekannten Effekte von Siedepunkterhöhungen bzw. Dampfdruckreduzierungen. Aufgabe der Anmeldung ist es, ein im Vergleich zu anderen Verfahren effektiveres Wärmepumpverfahren zu schaffen.
Die gestellte Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des ersten Anspruches angegebenen Mitteln gelöst.
Diese Lösung soll erläutert werden:

1) Vorüberlegungen zum Gleichgewichtstemperaturunterschied zwischen einer Lösung und ihrem Dampf

a) Ein nicht-flüchtiger Stoff, z. B. Chlorcalcium (CaCl₂), sei bis zur Sättigung in einer bestimmten Menge Wasser gelöst. Über der Flüssigkeitsoberfläche (in einem abgeschlossenen Raum) befindet sich allein Wasserdampf, der einen Druck von 1,013 bar (Normaldruck) aufweisen soll. Der gelöste Stoff (Chlorcalcium) ist im Dampf nicht enthalten. Aufgrund des Phänomens der Siedepunkterhöhung von Lösungen (im Vergleich zur reinen Flüssigkeit) wird ein Gleichgewichtsdampfdruck von 1,013 bar (Normaldruck) nicht schon bei 100°Celsius, sondern erst bei 179,5°Celsius erreicht (siehe Müller- Pouillets, Lehrbuch der Physik und Meteorologie, Dritter Band 10. Aufl., Braunschweig 1907, § 118, S. 391/392, darin zitiert: Legrand, Ann. Chim. Phys. [2] 53, 423 [1833]; der Gleichgewichtsdampfdruck wurde durch v. Babo für verschiedene Temperaturen einer gesättigten Chlorcalcium-Lösung in einem geschlossenen Gefäß ermittelt und mit den entsprechenden Werten des reinen Wassers verglichen, siehe Müller Pouillets, a. a. O., S. 393/394).
Zu klären ist, welche Temperatur der von der Oberfläche einer solchen Lösung aufsteigende Dampf besitzt. Erstaunlicherweise besitzt der bei atmosphärischem Druck aufsteigende Dampf nicht die Temperatur der Flüssigkeit (> 100°C), sondern die geringere Temperatur von 100°C. Mit anderen Worten: Er ist nicht - wie intuitiv zu erwarten wäre - überhitzt, sondern gesättigt. Eine direkte empirische Bestätigung der Sättigung des aufsteigenden Dampfes wurde von Rudberg (siehe Müller Pouillets, a. a. O., S. 392) bereits im 19. Jahrhundert vorgenommen, indem er die Beobachtung machte, dass der von einer wässrigen Lösung beim Siedevorgang aufsteigende Dampf dieselbe Temperatur besitzt, als wenn er von der (siedenden) reinen Flüssigkeit (gleichen Druckes) aufgestiegen wäre (siehe auch Ch. Drion/E. Fernet, Traite de Physique Elementaire, 3. Aufl, Paris 1869, S. 275/276). Die von Rudberg festgestellten Verhältnisse wurden später von M. Regnault mit Erfolg überprüft; Regnault variierte sogar die Druckverhältnisse und beschränkte sich nicht auf den Normaldruck (siehe M. V. Regnault: Relation des experiences entreprises . . . pour determiner les princip ales lois et les donnees numeriques qui entrent dans le calcul des machines a vapeur, Memoires de l'Academie des Sciences de l'Institut Imperial de France, Tome XXVI - 1862 -, S. 665-677; siehe auch die Darstellung bei P. A. Daguin, Traite Elementaire de Physique Theorique et Experimentale, Toulouse/Paris 1861, § 962, S. 349/350). Lediglich unmittelbar über der Flüssigkeitsoberfläche, aus der Dampf aufsteigt, werden höhere Temperaturen gemessen, was durch das Phänomen der von der heißen Flüssigkeit emittierten Wärmestrahlung eine einfache Erklärung findet (dies ist auch die Erklärung von P. A. Daguin, a. a. O., S. 350). Der Abstand von der Flüssigkeitsoberfläche, innerhalb dessen eine erhöhte Dampftemperatur gemessen wird, ist umso geringer, je weniger intensiv der Siedevorgang vonstatten geht (Regnault, a. a. O., S. 673: "La hauteur de la couche de vap eur surechauffee depend d'ailleurs de la temperature du liquide bouillant, et surtout de la vivacite de l'ebullition.")
b) Diese empirischen Befunde sollen analytisch erklärt werden. Dazu werde ein Kreisprozess untersucht, der nicht mit dem Gegenstand der Anmeldung identisch ist, sondern nur dem Zweck der Erklärung eines Temperaturunterschiedes zwischen Flüssigkeit und Dampf dienen soll. In seinem ersten Schritt weide der Dampf, der sich über einer gesättigten Salzlösung von 100°Celsius bildet, isobar und isotherm expandiert (gleichmäßige Verdampfung der Lösung), indem der Dampf einen Kolben verschiebt und damit das ihm zur Verfügung stehende Volumen vergrößert. Der (aufgrund der Anwesenheit des gelösten Salzes reduzierte) konstante Druck des Wasserdampfes betrage 0.65 bar (dies entspricht den realen Verhältnissen bei einer gesättigten Chlorcalcium-Lösung). Es soll vorübergehend angenommen werden, die Temperatur des aufsteigenden Dampfes sei mit derjenigen der Flüssigkeit identisch (100°C), der Dampf somit überhitzt.
Um die Flüssigkeitstemperatur trotz der stattfindenden Verdampfung konstant bei 100°C zu halten, muss der Flüssigkeit ständig Wärme von außen zugeführt werden. Diese Verdampfungswärme kann in zwei Teile gespalten werden: Der erste Teil Q₁ entspricht der inneren Arbeit der Moleküle, die diese zu leisten haben, um ihre gegenseitige Anziehung in der Flüssigkeit zu überwinden. Der zweite Teil Q₂ entspricht der äußeren Arbeit p ΔV₁, die vom Dampf (bei der Expansion) am Kolben geleistet wird. Somit gilt:

Q₂ = p ΔV₁ (1)
Ferner fließt die chemische Wärme Q_{chem_1} in die Flüssigkeit ein bzw. aus ihr heraus (je nach den Eigenschaften des Salzes), wenn das Salz in der Flüssigkeit auskristallisiert und damit den festen Aggregatzustand annimmt.
Nachdem die gesamte Flüssigkeit verdampft ist, wird der überhitzte Dampf im zweiten Schritt isotherm (bei 100°C) - aber nicht isobar - komprimiert, bis er den Zustand der Sättigung (1 bar) erreicht hat. Die bei dieser Kompression den Dampfverlassende Wärmemenge wird Q₃ genannt. Die aufgewandte mechanische Arbeit wird mit W_{mech_2} bezeichnet. Wäre der Dampf ein ideales Gas, so wäre der Betrag von Q₃ mit dem von W_{mech_2} identisch. Wegen des durch die Van-der-Waals-Kräfte erzeugten inneren Druckes des Dampfes ist Q3 jedoch etwas größer als W_{mech_2}. Dieser Unterschied entspricht dem Integral des inneren Druckes multipliziert mit dem Differential der Volumenredukion. Als Maximaldifferenz ergibt sich (die Arbeit ist der Einfachheit halber positiv definiert):
Die Van-der-Waals-Konstante a besitzt den Wert 555000 Nm/kmol. Das spezifische Volumen gesättigten Wasserdampfes (bei 100°C) beträgt 30,157 m³/kmol (wobei 1 kmol einer Stoffmenge von 18,015 kg entspricht). Wir erhalten daher:
Im dritten Schritt werde der gesättigte Dampf isotherm (100°C) und isobar (1 bar) komprimiert, bis der gesamte Dampf in Flüssigkeit (reines Wasser) verwandelt worden ist. Die dabei ausgeflossene Wärmemenge Q kann in zwei Teile aufgespalten werden: Q₄ entspricht der inneren Arbeit, die die Anziehungskräfte der Flüssigkeitsmoleküle leisten, indem sie die kinetische Energie der "Neuankömmlinge" (= ehemalige Dampfmoleküle) erhöhen. Q₅ entspricht der äußeren Arbeit, die vom Kolben bei der isobaren und isothermen Kompression geleistet werden musste. Es gilt:

Q₅ = p ΔV₂ (4)
Um zum Anfangs unkt des ersten Schrittes zurückzukehren, wird das feste Salz bei konstanter Temperatur (100°C) in der Flüssigkeit aufgelöst. Die dabei anfallende bzw. aufzuwendende chemische Wärme Q_{chem_2} ist dem Betrag (nicht dem Vorzeichen) nach mit der oben erwähnten Wärmemenge Q_{chem_1} identisch.
Soll der Energieerhaltungssatz nicht verletzt werden, muss die folgende Gleichung Gültigkeit besitzen:
Ob (5) tatsächlich Gültigkeit besitzt, soll in folgender Weise überprüft werden: Es steht fest, dass die innere Verdampfungsarbeit (d. h. die zur Abtrennung der aufsteigende Moleküle erforderliche innere Arbeit) bei einer wässrigen Lösung größer ist als bei reinem Wasser (bei gegebener Temperatur der Flüssigkeit), da nicht nur die Anziehungskräfte der Wassermoleküle (im Bereich der Flüssigkeitsoberfläche), sondern auch die von den Molekülen des gelösten Stoffes erzeugten Anziehungskräfte überwunden werden müsssen. Eine feste Obergrenze der Größe der inneren Verdampfungsarbeit besteht nicht, wenn Freiheit in der Wahl des zu lösenden nicht-flüchtigen Stoffes besteht. Gegenüber dem Fall einer "reinen" Flüssigkeit, die eine Temperatur von 100°Celsius aufweist, schaffen es bei einem (angenommenen) reduzierten Druck von 0,65 bar (aber voraussetzungsgemäß unveränderter Temperatur) nur etwa 65% der Moleküle (nämlich die "schnelleren" zwei Drittel), den Anziehungsbereich der Flüssigkeit zu verlassen. Da die innere Arbeit der aufsteigenden Moleküle vornehmlich auf die Überwindung der Anziehungskraft der Flüssigkeitsoberfläche (d. h. auf die Überwindung der "Schwere") entfällt, liegen die Verhältnisse (insbesondere der Zusammenhang zwischen potentieller Energie der Moleküle und dem von ihnen ausgeübten Druck) ähnlich wie bei einem der Schwere unterworfenen Gas, dessen Druck bei homogener Temperatur durch die barometrische Höhenformel beschrieben wird (zur Generalisierbarkeit der barometrischen Höhenformel bei Wirkung beliebiger Kraftfelder siehe R. P. Feynman, Lectures on Physics I, 40-2; zur Anwendung der barometrischen Höhenformel speziell auf die Verdampfung einer Flüssigkeit siehe ders., a. a. O., 42-1).
Der Unterschied zwischen Q₁ und Q₄ ist somit identisch mit dem Unterschied der potentiellen Energie zwischen zwei Molekülpaketen in einer vertikalen und isothermen (100°Celsius) Gassäule. Das erste Paket besitzt einen Druck p von 0.65 bar (dies entspricht dem Dampfdruck über der Lösung im Schritt 1), das zweite Paket besitzt einen Druck p₀ von 1.0 bar (dies entspricht dem Dampfdruck über reinem Wasser). Es gilt:
Die Größe M stellt die Masse des Wassers pro kmol dar, g die Schwerebeschleunigung, h den vertikalen Abstand der beiden Pakete, R die Gaskonstante. Es ist zu erkennen, dass die Wärmemenge Q₁ um 120 kJ/kg - und nicht bloß, wie von (5) behauptet, um 1 kJ/kg - größer als die Wärmemenge Q₄ ist. Daher kann der von der Flüssigkeit aufsteigende Wasserdampf nicht dieselbe Temperatur wie die Flüssigkeit besitzen; ansonsten wäre der Energieerhaltungssatz verletzt.
Nimmt man hingegen an, der aufsteigende Dampf, dessen Druck 0,5 bar beträgt, sei gesättigt, so ist seine Temperatur niedriger als 100°Celsius (= Temperatur der Flüssigkeit), nämlich nur etwa 80 Celsius. Soll er auf der Oberfläche des "reinen" Wassers, das dieselbe Temperatur wie der Dampf (T = 80°Celsius) aufweist, kondensieren, so ist zur Ermöglichung einer solchen Kondensation vorab eine mechanische Verdichtungsarbeit zu leisten. Die (gegenüber der "reinen" Flüssigkeit gleicher Temperatur) erhöhte Verdampfungswärme der Lösung wird rechnerisch mehr als ausgeglichen, indem Wasserdampf bei einer Temperatur von weniger als 100°Celsius eine größere Kondensationswärme aufweist als bei 100° Celsius. (Die tatsächliche Vergrößerung der Verdampfungs-/Kondensationswärme für "reines" Wasser mit einem Sättigungsdampfdruck von 0,5 bar und einer Temperatur von 80°Celsius beträgt - gegenüber der Situation bei 100°Celsius und 1,013 bar - etwa 300 kJ/kg). Als Konsequenz wird insgesamt mehr Kondensationswärme abgeben, als Verdampfungswärme aufgewandt wurde. Der Unterschied entspricht der Wärmemenge, die erforderlich ist, um die kondensierte Flüssigkeit anschließend wieder auf die Ausgangstemperatur von 100°Celsius zu erwärmen. Eine Verletzung des Energieerhaltungssatzes findet somit nicht statt.
(Die obigen Betrachtungen erklären zugleich die bekannte Erfahrung, wonach der während eines Siedeverzuges des reinen Wassers - bei atmosphärischem Druck - aufsteigende Dampf nur eine Temperatur von 100°Celsius besitzt - also gesättigt ist -, obwohl die Temperatur des noch nicht siedenden Wassers 130°C und mehr betragen kann.)
c) Soll der Zustand eines Temperaturunterschiedes zwischen Flüssigkeit und Dampf ein Gleichgewichtszustand sein, so muss gefordert werden, dass der im Vergleich zur Flüssigkeit kühlere (gesättigte) Dampf nicht nur von der Flüssigkeit aufsteigt, sondern bei Erhöhung des Druckes um einen differentiellen Betrag (bei unveränderter Temperatur der Flüssigkeit) auf der Flüssigkeitsoberfläche kondensiert und damit verflüssigt wird. Dies ist nach der Erfahrung tatsächlich der Fall (siehe Müller- Pouillets, a. a. O., § 118, S. 395). Ein solcher Befund ist keineswegs überraschend, sondern folgt zwingend aus dem Phänomen der Siedepunkterhöhung von Lösungen, deren Kehrseite die Erniedrigung des Gleichgewichts-Dampfdruckes ist: Angenommen, über dem Flüssigkeitsspiegel der Lösung werde eine dünne Schicht des gesättigten Dampfes (1 bar) durch zwei horizontale (wärmeundurchlässige) Schottwände geringen gegenseitigen Abstandes - wovon die untere Schottwand direkt auf der Flüssleitsoberfläche aufliegt - vom Rest des Dampfes abgetrennt. Was immer die Temperatur dieser Dampfschicht sein mag: Kurze Zeit nachdem das auf der Flüssigkeitsoberfläche aufliegende Schott geöffnet wurde (indem die Schottwand in einer seitlichen Versenkung verschwindet), sind alle Moleküle dieser dünnen Schicht in die Flüssigkeit zurückgekehrt, und ihre Plätze sind durch andere Moleküle, nämlich solche, die von der Flüssigkeitsoberfläche aufgestiegen sind, eingenommen worden. Somit ist unterhalb der nach wie vor geschlossenen Schottwand spätestens jetzt ein Gleichgewichtszustand vorhanden. Ferner herrscht oberhalb und unterhalb dieser Schottwand - wie schon vor dem Austausch der Moleküle - derselbe Druck (1 bar). Dann aber kann diese Schottwand ohne Arbeitsaufwand auf die Flüssigkeitsoberfläche herabgesenkt werden (wodurch die von der Oberfläche aufgestiegenen Moleküle wieder dorthin zurückkehren. Wird der Vorgang durch Schließen des oberen Schotts und damit durch Bildung einer neuen (zwischen zwei Schottwänden eingeschlossenen) Dampfmenge wiederholt, so resultiert daraus ein stetiger Strom kondensierenden Dampfes.
(Wäre der Druck des herangeführten Dampfes größer als 1,013 bar, so wäre die Kondensation natürlich erst recht möglich; durch das Herabsenken der Schottwand auf die Flüssigkeitsoberfläche wird wegen des Druckunterschiedes sogar noch Arbeit nach außen abgegeben.)
Diese Betrachtung lässt gleichzeitig erkennen, dass es für die Möglichkeit der Kondensation nicht darauf ankommt, ob der zu kondensierende Dampf gesättigt oder überhitzt ist. Entscheidend ist vielmehr allein, dass sein Druck mindestens 1,013 bar beträgt (= Gleichgewichts-Dampfdruck über der Flüssigkeitsoberfläche). Allgemein formuliert: Jeder Dampf kann zur Kondensation gebracht werden, wenn sein Druck größer oder gleich dem Gleichgewichtsdampfdruck der Flüssigkeit ist, auf deren Oberfläche der herangeführte Dampf kondensieren soll. (Beim bereits oben erwähnten, unter Atmosphärendruck stattfindenden Phänomen des Siedeverzuges des reinen Wassers ist der Gleichgewichtsdampfdruck allerdings größer als der Atmosphärendruck: Wird die Größe des Dampfraumes über er überhitzten Flüssigkeit nicht weiter vergrößert, sondern konstant gehalten, so steigt der Druck solange an, bis der reguläre Gleichgewichtsdampfdruck erreicht ist).

2) Beschreibung des erfindungsgemäßen Kreisprozesses

Im ersten Schritt des erfindungsgemäßen Kreisprozesses werde die Flüssigkeit (Salzlösung, z. B. Chlorcalcium) bei einer konstanten Lösungstemperatur von z. B. 179,5°Celsius vollständig verdampft (unter Zurücklassung des auskristallisierten Chlorcalciums). Der Dampf erfährt auf diese Weise eine isobare (1,013 bar) und gleichzeitig isotherme Expansion. Die Verdampfungswärme wird von der Umgebung der Flüssigkeit gestellt. Wie oben gezeigt, ist der Dampf nicht überhitzt, sondern gesättigt (100°C).
Im zweiten Schritt werde der Dampf, der nun nicht länger mit einer Flüssigkeit in Verbindung steht, isobar (wiederum bei 1,013 bar) - aber nicht isotherm - expandiert, indem Wärme von außen in den Dampf eingeleitet wird. Dadurch wird der Dampf überhitzt.
Im dritten Schritt werde der Dampf isobar (bei einem Druck von - nach wie vor - 1,013 bar) und isotherm komprimiert. Dazu wird er wiederum mit der Oberfläche einer wässrigen Chlorcalcium-Lösung in Verbindung gebracht (wobei eine zunächst geringe Flüssigkeitsmenge ausreicht) und dort kondensiert, bis der überhitzte Dampf vollständig in Flüssigkeit verwandelt worden ist (der Sättigungszustand der Lösung wird zu jedem Zeitpunkt sichergestellt).
Besaß der im ersten Schritt des Kreisprozesses aufgestiegene Dampf somit als gesättigter Dampf eine Temperatur von 100°Celsius (obwohl die "Stammflüssigkeit" eine Temperatur von 179,5°Celsius aufweist), so brauchte das Wärmereservoir, aus dem die im zweiten Schritt in den Dampf fließende Wärme gespeist wurde, zur Herstellung des Wärmestroms eine Temperatur von nur wenig über 100° Celsius zu besitzen. Die gleiche Wärmemenge, die während des zweiten Schrittes in den Dampf einfloss, muss sich als Differenz zwischen der (im ersten Schritt in die Flüssigkeit einfließenden) Verdampfungswärme und der (im dritten Schritt die Flüssigkeit verlassenden) Kondensationswärme in Form eines Überschusses an ausgeflossener Kondensationswärme zeigen, wenn der Energieerhaltungssatz nicht verletzt sein soll. Die Flüssigkeit besaß während ihrer gesamten Existenzdauer jedoch die konstante Temperatur von 179,5°Celsius. Damit stellt der beschriebene Kreisprozess nichts anderes als ein Wärmepumpverfahren dar.
Welche Arbeitsmenge zum Betrieb der Pumpe zu leisten ist, hängt allein davon ab, inwieweit es gelingt, die Flüssigkeitstemperatur während des ersten Schrittes nicht unter 179,5°Celsius absinken und während des dritten Schrittes nicht über 179,5°Celsius ansteigen zu lassen, denn eine erhöhte Temperatur der Flüssigkeit (> 179,5°Celsius) führt zu einem erhöhten Gleichgewichts-Dampfdruck (> 1,013 bar) und damit zu einem höheren Mindestdruck des zu kondensierenden Dampfes, während eine verringerte Temperatur eine Erniedrigung des Druckes des aufsteigenden Dampfes zur Konsequenz hat. Nur bei wirklich gleicher Temperatur würde sich die während der ersten beiden Schritte gewonnene Arbeit mit der während des dritten Schrittes aufgewandten Arbeit neutralisieren.

3) Ausführungsbeispiele

Das oben beschriebene Verfahren soll durch zwei konkrete Ausführungsbeispiele verdeutlicht werden:

a) Ein in sich geschlossenes Rohr bestehe aus zwei (jeweils geraden) parallelen langen und zwei parallelen kurzen (jeweils geraden) Rohrstücken (Abb. 1). Lange und kurze Rohrstücke bilden miteinander jeweils Winkel von 90°. Die langen Rohrstücke befinden sich in horizontaler, die kurzen Rohrstücke in vertikaler Lage (mit Bezug auf die Schwerkraft). Das untere der beiden langen Rohrstücke sowie die beiden kurzen Rohrstücke seien vollständig mit einer Flüssigkeit (z. B. Wasser) gefüllt (gepunktete Fläche in Abb. 1), in der ein nicht-flüchtiger Stoff bis zur Sättigung gelöst ist. Das obere der beiden langen Rohrstücke sei vollständig mit dem Dampf der Flüssigkeit (Wasserdampf) gefüllt. In der linken Hälfte des oberen langen (horizontalen) Rohrstückes befinde sich ein Ventilator (1), der den ihn umgebenden Dampf nach rechts treibt und an der Flüssigkeitsoberfläche im rechten vertikalen Rohrstück zur Kondensation bringen soll. Rechts vom Ventilator ragen Heizlamellen (2) in das obere horizontale Rohr hinein, durch die von außen zugeführte Wärme in den Dampfstrom einfließen kann. Ein Fließgleichgewicht tritt dann ein, wenn pro Zeiteinheit aus der Flüssigkeit genauso viel Wärme abgeleitet wird, wie in den Dampf eingeleitet wird. In die Flüssigkeit sind Kupferlamellen eingetaucht; sie sorgen für eine Reduzierung des Temperaturunterschiedes der Flüssigkeit und damit für eine Minimierung der zum Betrieb des Ventilators erforderlichen Arbeit. Um eine Zirkulation der Flüssigkeit (entgegen dem Uhrzeigersinn) durch Ausbreitung der wärmeren Flüssigkeitsteile an der Oberfläche und Absinken der kälteren zu ermöglichen, sollten der Rohrquerschnitt rechteckig und - entgegen den Verhältnissen in Abb. 1 - nur der untere horizontale Rohrabschnitt (also nicht die vertikalen Abschnitte) mit Flüssigkeit gefüllt sein.
b) Die (die Kehrseite einer Siedepunkterhöhung bildende) Dampfdruckerniedrigung kann auch dadurch herbeigeführt werden, dass die Oberfläche einer reinen Flüssigkeit konkave Wölbungen mikroskopischen Durchmessers aufweist. Dies wird bewerkstelligt, indem ein poröser Stoff (z. B. Stein oder Keramik) mit der Flüssigkeit getränkt und in das untere horizontale Rohr des ersten Ausführungsbeispiels verbracht wird (siehe zur Siedepunktserhöhung bzw. Dampfdruckerniedrigung bei flüssigkeitsgetränkten porösen Stoffen: R. Brdicka, Grundlagen der physikalischen Chemie, 15. Auflage, Berlin 1985, S. 449). Das hygroskopische Verhalten dieser Stoffe, die Wasser ansammeln, selbst wenn die relative Luftfeuchte der umgebenden Luft geringer als 100% ist, ist ein Beleg dafür, dass auch überhitzter (also ungesättigter) Dampf auf der Oberfläche dampfdruckreduzierter Flüssigkeiten kondensiert, wenn nur der Druck des überhitzten Dampfes größer als der reduzierte Sättigungsdampfdruck der Flüssigkeit ist.

Claims

1. Wärmepumpverfahren auf der Basis der an sich bekannten Effekte der Siedepunkterhöhung bzw. Dampfdruckreduzierung, dadurch gekennzeichnet, dass

a) im ersten Schritt eines Kreisprozesses eine siedepunkterhöhte bzw. dampfdruckreduzierte Flüssigkeitsmenge unter isothermer und gleichzeitig isobarer Expansion des aus der Flüssigkeit aufsteigenden gesättigten Dampfes verdampft wird, wobei die Dampftemperatur niedriger als die der Flüssigkeit ist,

b) im zweiten Schritt die nicht mehr mit der Flüssigkeit in Verbindung stehende Dampfmenge isobar (aber nicht isotherm) durch Einfließen von äußerer Wärme expandiert wird,

c) im dritten Schritt der nunmehr überhitzte Dampf isotherm und isobar komprimiert wird, indem er auf der Oberfläche der siedepunkterhöhten bzw. dampfdruckreduzierten Flüssigkeit kondensiert,

d) wobei dafür Sorge zu tragen ist, dass die Temperatur der Flüssigkeit während des ersten Schrittes sich möglichst wenig von der Temperatur während des dritten Schrittes unterscheidet.

2. Wärmepumpverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

a) Dampf, der von der siedepunkterhöhten bzw. dampfdruckreduzierten Flüssigkeit aufgrund der Wirkung eines Ventilators (oder einer vergleichbaren Vorrichtung zur kontinuierlichen Bewegung einer Dampfmenge) aufsteigt und durch den (abgeschlossenen und volumenunveränderlichen) Dampfraum strömt,

b) dabei durch von außen in den Dampfraum zufließende Wärme überhitzt wird, um

c) anschließend in derselben Flüssigkeit, jedoch auf einem anderen Teil ihrer Oberfläche, zu kondensieren, wobei

d) dafür Sorge zu tragen ist, dass die Temperatur der siedepunkterhöhten bzw. dampfdruckreduzierten Flüssigkeit möglichst homogen ist und im gleichen Maße, wie Wärme pro Zeiteinheit in den Dampf eingeführt wird, Wärme von der Flüssigkeit nach außen abgeführt wird,

so dass ein Fließgleichgewicht entsteht, bei dem der Abfluss der Wärme aus der Flüssigkeit bei höherer Temperatur stattfindet als der Zufluss der Wärme in den (eine geringere Temperatur als die Flüssigkeit besitzenden) Dampf und die zur Aufrechterhaltung des Betriebs der so gebildeten Wärmepumpe vom Ventilator aufzuwendende mechanische Arbeit umso geringer ist, je geringer der Unterschied der Temperatur innerhalb der Flüssigkeit ist (um bei einem theoretischen Unterschied von null Grad Celsius bis auf diejenige Arbeit, die rechnerisch auf die innere Reibung des Dampfes entfällt, völlig zu verschwinden).

3. Wärmepumpverfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die siedepunkterhöhte bzw. dampfdruckreduzierte Flüssigkeit eine Flüssigkeit ist, in der ein nicht-flüchtiger Stoff bis zur Sättigung gelöst ist oder mehrere nicht-flüchtige Stoffe gelöst sind.

4. Wärmepumpverfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch kennzeichnet, dass die Flüssigkeit deshalb dampfdruckreduziert ist, weil sie in den Kapillarröhren eines porösen Stoffes eine gekrümmte Oberfläche gegenüber dem angrenzenden Dampfraum bildet.

5. Wärmepumpverfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Vorrichtung zur Bewegung einer Dampfmenge durch die Effekte der Wärmeleitung oder Konvektion ersetzt wird, die Flüssigkeit zum Zwecke der besseren Ausnutzung des Konvektionseffektes oberhalb des Dampfraumes befindlich und z. B. durch einen dampf -, aber nicht flüssigkeitsdurchlässigen Boden vom Dampfraum getrennt ist.