DE10245694A1

DE10245694A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Realisierung einer Wärmepumpe oder einer Kältemaschine mittels kombinierter Verdichtung und Verflüssigung durch eine Verdrängungsblase

Info

Publication number: DE10245694A1
Application number: DE2002145694
Authority: DE
Inventors: Gerhard Luther
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2004-04-15
Also published as: DE10344698B4; DE10344698A1

Abstract

Durch die hydraulische Anwendung der Kompressionsarbeit und durch die räumliche und verfahrenstechnische Kombination von Verdichtung und Verflüssigung kann das Kaltdampf-Verfahren und insbesondere das Wärmepumpen-Verfahren sowohl thermodynamisch als auch technisch verbessert werden. Es ergeben sich: DOLLAR A È größere Freiheiten für die Gestaltung des thermodynamischen Kreisprozesses DOLLAR A È eine Erschließung von bisher "unzugänglichen" Bereichen des Zustandsraumes des Kältemittels DOLLAR A È eine Befreiung von technischen Restriktionen, die im klassischen Wärmepumpen-Verfahren durch das Bauteil "Kompressor" verursacht werden.

Description

Vorbemerkung zur Sprechweise:
Sowohl der Wärmepumpe als auch der Kälteerzeugung liegt der gleiche thermodynamische Prozess zugrunde. Der Unterschied zwischen Wärmepumpe und Kältemaschine besteht nur in dem unterschiedlichen Zweck des Verfahrens: bei der Wärmepumpe wird die am Verflüssigen auf dem oberen Temperaturniveau abgegebene Wärme als Heizwärme genutzt und bei der Kältemaschine wird die vom Verdampfer auf dem unteren Temperaturniveau aufgenommene Wärme als Kälteleistung verwendet. Um die sprachliche Form zu vereinfachen, wird im folgenden in der Regel vom Fall der Wärmepumpe ausgegangen. Eine Übertragung auf die Anwendung als Kältemaschine ergibt sich jeweils durch die oben dargelegte Änderung des Verfahrenszweckes.
1. Mängel des klassischen Wärmepumpenverfahrens
Im klassischen mechanisch angetriebenen Wärmepumpen Verfahren (Bild 1) wird das Kältemittel im Verdampfer 1 bei der Temperatur T₀ und dem Druck p₀ verdampft , im Kompressor 22 verdichtet und im Verflüssigen 33 bei der Temperatur T_c und dem zugehörigen Druck p_c verflüssigt, um dann über das Expansionsventil 4 wieder in den Verdampfer 1 zu gelangen.
Der „ideale" thermodynamische Vergleichsprozess für diesen Ablauf ist in Bild 2 in dem bei den Praktikern so beliebten Druck-Enthalpie (log p – h) Diagramm und in Bild 3 im für theoretische Untersuchungen geeigneteren Temperatur-Entropie (T-s) Diagramm dargestellt. Gleiche Zustandspunkte sind in beiden (und auch allen folgenden) Diagrammen mit den gleichen Symbolen systematisch (siehe Anhang A1) bezeichnet. Die Diagramme sind qualitativ allgemein gültig; zur quantitativen Veranschaulichung wurde ein Wärmepumpenprozess mit dem Kältemittel Ammoniak (R 717) zwischen einer Verdampfung bei T_o von etwa –2 [°C] (entsprechend p₀ = 400 [kPa]) und einer Verflüssigung bei T_c = 50 [°C] (entsprechend p_c von ca. 2000 [kPa]) gewählt: Das vollständig verdampfte Kältemittel (Zustandspunkt 1) wird im Kompressor 22 adiabatisch (in Bild 2 und Bild 3 heißt dies: entlang der Isentrope 5,63 [kJ/(kg K]) auf den Druck p_c verdichtet, den es im Überhitzungsbereich beim Zustandspunkt 2k erreicht. Hierzu muss es sich über die Isotherme der Verflüssigungstemperatur T_c, die im Punkt 2 erreicht wird, hinaus erwärmen. Im Verflüssigen 33 wird das Kältemittel zunächst isobar bis zur Sättigungskurve (Punkt 2') abgekühlt und anschließend verflüssigt (Punkt 3). Bei der irreversiblen Drosselung im Entspannungsventil 4 wird Entropie erzeugt, so dass keine isentrope Entspannung (in Bild 2 und Bild 3 entlang der Isentrope 1,8 [kJ/(kg K]) zum Zustandspunkt 4 sondern nur eine isenthalpe Drosselung zum Zustandspunkt 4k erfolgt.
Der idealisierte Wärmepumpenprozess wird also bisher nach dem Stand der Technik durch die Eckpunkte {1-2k-3-4k} beschrieben. Zu den zahlreichen Einzelheiten und „realen" Abweichungen von diesem idealen Vergleichsprozess sei auf die Literatur verwiesen (e.g./1-3/).
Für unsere weiteren Überlegungen wollen wir festhalten, dass durch Abweichungen vom thermodynamisch optimalen linksläufigen Carnot Prozess {1-2-3-4} ein zusätzlicher Exergieaufwand für den Prozessverlauf im „Überhitzungshorn" {2-2k-2'} notwendig wird und dass der Exergiegehalt der im Punkt 3 unter hohem Druck stehenden („gespannten") Flüssigkeit nicht genutzt wird.
Die Exergieverschwendung beim Schritt 3-4k wird damit begründet, dass sich eine isentrope Entspannung in einer Turbine nicht lohne.
Das Überhitzungshorn {2-2k-2'} ist im klassischen Verfahren nach Bild 1 unvermeidbar, da die für den thermodynamischen Wärmepumpenprozess notwendige Arbeit in einem eigenständigen Kompressor zugeführt, der sich direkt im Kältemittel Kreislauf befindet. Aus dieser Konfiguration ergeben sich noch eine Reihe weiterer Nachteile.
Insgesamt haben wir mit der vorliegenden Erfindung vor allem die Verbesserung oder Beseitigung der folgenden Nachteile des klassischen Wärmepumpenverfahrens im Visier, die sich fast alle aus der Art der Verdichtungsmaschine und ihrer Integration in den Kältekreislauf ergeben
Thermodynamische Mängel

(1.1) Durch die räumliche und verfahrensmäßige Trennung von Verdichter und Verflüssigen muss der Verdichter den Enddruck des Kältemittels in einem einzigen Arbeitsgang (Hub) erzeugen. Dadurch lassen sich gekoppelte oder aufeinander folgende Verdichtungs- und Abkühlungsschritte nicht verwirklichen. Beispielsweise ist es mit herkömmlichen Kompressoren nicht möglich, eine isotherme Verdichtung, immerhin ein wichtiger Prozess-Schritt des idealen linksläufigen Carnot Prozesses, zu realisieren.
(1.2) Der reale thermodynamische Prozess muss Rücksicht auf technische Empfindlichkeiten des Kompressors nehmen. So muss beispielsweise der Flüssigkeitsgehalt des Fluids beim Ansaugen in den Kompressor begrenzt werden.
(1.3) Mehrstufige Prozesse sind aufwändig, da für jedes Kältemittel ein gesonderter Kompressor bereitgestellt werden muss.
(1.4) Ein zusätzlicher Mangel des klassischen Wärmepumpenverfahrens besteht darin, dass die Exergie des verflüssigten und gespannten (= noch unter hohem Druck stehenden) Kältemittels überhaupt nicht ausgenutzt wird.

Technische Mängel

(2.1) Der Kompressor muss Rücksicht auf die chemischen Eigenschaften des Kältemittels nehmen, was beispielsweise Auswirkungen auf den Korrosionsschutz und die Schmierung der bewegten Teile hat.
(2.2) Der Kompressor muss Rücksicht auf die physikalischen Eigenschaften des Kältemittels nehmen, was beispielsweise Auswirkungen auf die Betriebstemperatur (man beachte die Überhitzung des Kältemittels) hat.
(2.3) Der Kompressor stellt einen Schwachpunkt für die sichere Abkapselung des u.U. toxischen oder Umwelt gefährdenden Kältemittels gegenüber der Umgebung dar.
(2.4) Der Kompressor stellt einen technisch-wirtschaftlichen Schwachpunkt für den erreichbaren Druck dar.
(2.5) Da der Kolben eines Hubkolbenverdichters nicht am Zylinderdeckel anstoßen darf, verbleibt ein konstruktionsbedingter „schädlicher Raum" /4/, dessen Inhalt beim Verdichtungshub nicht ausgeschoben wird und dadurch das effektive Fördervolumen verringert und das Druckverhältnis p_c/p₀ der Verdichtung begrenzt. (p_c = Druck bei der Verflüssigung, p₀ = Druck bei der Verdampfung)

2. Das Vedrängungsverfahren
Mit Ausnahme des Mangels 1.4 lassen sich alle oben aufgezeigten Mängel im Kern auf zwei Eigenschaften des klassischen Verfahrens zur Verdichtung des kalten Sauggases zurückführen:

(1) die Verdichtungsmaschine befindet sich direkt im Kältemittel Kreislauf, ihre bewegten (und geschmierten) Teile stehen mit dem Kältemittel in Kontakt.
(2) die Verdichtung erfolgt schnell in einem, kleinen Volumen, so dass Temperaturausgleichsströme nur sehr begrenzt erfolgen können und sich der Verdichtungsvorgang, also der Ablauf der Verdichtung im Einzelnen , nicht steuern lässt.

Die Idee des Kernes der Erfindung, des Vedrängungsverfahrens, besteht daher in zwei Ansätzen:

(1) die Kompressionsarbeit wird durch Pumpen aufgebracht, die zur Übertragung ein Füllmedium (z.B. Wasser, oder auch Luft) in den eigentlichen Kompressionsraum hinein drücken, wobei eine Vermischung mit dem Kältemittel durch eine Membran oder Blase unterbunden wird.
(2) Verdichtung und Verflüssigung des Kältemittels finden in ein und demselben, auch auf die Wärmeübertragungs-Anforderungen eines Verflüssigers ausgelegten Behältnis statt; die Wärmeübertragung an das Heizmedium kann also bereits während der Verdichtungsphase beginnen.

2.1 Der Verdrängungsverflüssiger
Das charakteristische Bauelement dieses Verdrängungsverfahrens ist das neue Bauteil „Verdrängungsverdichter und Verflüssigen", das wir abgekürzt als „Verdrängungsverflüssiger" (Bauteil 5 in Bild 4 ff.) bezeichnen wollen. Die Bezeichnung Verdrängungsverflüssiger wurde gewählt, weil das Wort „Verdrängung" einerseits semantisch bereits einen Bedeutungsanteil von „Verdichter" enthält, andererseits aber gegenüber einer allgemeineren Wortkombination „Verdichtungsverflüssiger" wiederum auf den speziellen Prozess der Verdichtung durch die Verdrängungsblase oder -membran hinweist.
Der Verdrängungsverflüssiger 5 (Bild 4) besteht aus einem Behältnis 55, dessen Volumen durch eine bewegliche Blasenwand (oder Membran oder die Wand eines Schlauches) 25 in zwei komplementäre Teilvolumina, nämlich in das Innere der Blase 2 und das Restvolumen 3 aufgeteilt wird. Das Restvolumen 3 lässt sich über das Ventil 51 mit einem Kältemittelgas (oder auch mit nassem Kältemitteldampf) 16 füllen. Die Blase 2 lässt sich über eine Zuleitung 23 und ein Ventil 21 mit einem Fluid 26, dem Füllmedium, füllen, wodurch sie sich auf Kosten des Restvolumens 3 ausdehnt. Bei geschlossenem Ventil 51 erhöht sich dadurch der Druck und die Temperatur des Kältemittels. Durch Wärmeübertragung an die Wand des Behälters 55, die von außen (beispielsweise durch eine Rohrschlange 57) gekühlt werden kann, und an das Füllmedium 26 in der Blase 2 kann die im Kältemittel 16 erzeugte Wärme abgeführt werden und das Kältemittel mit fortschreitender Verkleinerung des Restvolumens 3 schließlich verflüssigt werden. Die so entstandene Flüssigkeit wird über das Ventil 41 und die Druckleitung 42 (bei weiterhin geschlossenem Ventil 51) abgeführt. In Umkehrung des Befüllungs vorganges kann die Blase 2 entleert werden und das Kältemittel 16 wieder in das sich ausdehnende Volumen 3 einströmen.
Als Füllmedium 26 eignet sich eine Flüssigkeit, z. B. Wasser. Die Vorrichtung kann daher griffiger auch als „hydraulischer Verflüssigen" bezeichnet werden. Allerdings sollte diese Bezeichnung nicht als grundsätzliche Einschränkung auf die Nutzung einer Flüssigkeit als Verdrängungsmedium 26 angesehen werden. Diese Ausschließlichkeit ist nämlich nicht gegeben: auch Dampf oder eine Kombination einer Flüssigkeit mit einem Gas oder ein reines Gas („pneumatischer Verflüssigen") kann die Funktion des Füllmediums 26 ausüben. Dennoch werden wir uns schwerpunktmäßig mit dem „hydraulischen Verflüssigen" befassen.
Eine Kühlflüssigkeit 7, die identisch mit dem Füllmedium 26 sein kann, kann den Verdrängungsverflüssiger über eine Rohrschlange 57 kühlen. Da der hydraulisch bewirkte Vorgang der Verdichtung im Gegensatz zu einem herkömmlichen Kompressor jedoch sehr geräuscharm abläuft, kann der Verdrängungsverflüssiger auch im zu beheizenden Raum stehen. Der Verdrängungsverflüssiger kann dann direkt als „Heizkörper" aufgefasst werden, so dass sich eine gesonderte äußere Kühlung 57 erübrigt.
Als Behälter 55 eignet sich technisch vermutlich bereits ein etwas angepasstes herkömmliches Ausdehnungsgefäß, wie es in der Heizungstechnik verwendet wird. Das bei der herkömmlichen Anwendung für das Heizungswasser vorgesehene Volumen entspricht unserem Restvolumen 3 für das Kältemittel, das für das Stickstoffpolster vorgesehene Volumen wird dann als „Blase" 2 für das Füllmedium 26 genutzt.
Zur Tolerierung höherer Drücke und in Anlehnung an die Funktion (und auch das Aussehen) von „Heizkörpern" können als Behälter 55 Rohre verwendet werden. Die Blase 2 würde dann durch einen „Schlauch" im Innern eines Rohres 55 gebildet.
Die Wand 25 der Blase 2 muss keineswegs „gummiartige" elastische Eigenschaften aufweisen. Die Veränderung des Volumens der Blase kann nämlich alleine oder überwiegend durch Änderung der Querschnitts-Geometrie erfolgen.
Schließlich soll noch erwähnt werden, dass auch eine mechanisch (beispielsweise durch einen Kolben) angetriebene Volumenänderung der Blase oder Bewegung der Membran denkbar ist. Der Unterschied zum normalen Verdichter besteht hierbei darin, dass der Kolben durch die Blasenwand von der Kälteflüssigkeit hermetisch abgetrennt ist.
2.2 Der Wärmepumpenprozess mit Verdrängungsverflüssiger
Der Kern der Erfindung beruht darin, dass die Verdichtung durch die Ausdehnung einer Blase, die beispielsweise durch eine Pumpe mit Wasser gefüllt wird, erfolgt. Die Arbeitsschritte „Verdichtung" und „Verflüssigung" werden im Gegensatz zum klassischen Wärmepumpen Verfahren räumlich zusammengefasst und zeitlich periodisiert: Verdichten und Verflüssigen des Kältemittels findet also im gleichen Behälter (dem Verdrängungsverflüssiger) statt, – aber die Arbeitsschritte laufen nicht gleichförmig sondern – gleichsam im Batchbetrieb – als periodisch sich wiederholender Prozess ab, wobei sich die Phasen des Verdichtens und der Verflüssigung auch zeitlich überlappen können.
In Bild 5 ist der Aufbau für die gesamte Wärmepumpe schematisch dargestellt. Im Vergleich zur klassischen Schaltung, Bild 1, bleiben im Kältemittel Kreislauf Verdampfer 1 und Entspannungsventil 4 unverändert, während der Kompressor 22 und der Verflüssigen 33 zum Verdrängungsverflüssiger 5 vereint werden. Die Pumpe 24 versorgt die Blase 2 mit dem Füllmedium, wobei sich die Druckanforderung im Verlaufe der Beladung stark verändert.
In Bild 5 ist ein Reservoir 6 symbolisch als Quelle und Senke für das Füllmedium eingezeichnet. In praxi wird man das Reservoir 6 durch einen weiteren Verdrängungsverflüssiger 65 ersetzen (Bild 6), der um eine Halbperiode phasenversetzt betrieben wird: das nach beiden Richtungen arbeitsfähige Pumpenaggregat 24 verschiebt also das Füllmedium zwischen den zwei Verdrängungsverflüssigern 5 und 65. Einer weitgehend gefüllten Blase 2 im rechten Verdrängungsverflüssiger 5 entspricht eine weitgehend entleerte Blase 62 im linken Verdrängungsverflüssiger 65 (und umgekehrt); die umgekehrten Verhältnisse gelten für die Restvolumina 3 und 63.
Durch 2 Paare (245 und 246) von Absperrventilen, die zueinander invers betätigt werden, kann ein Pumpenaggregat so betrieben werden (Bild 7), dass es einmal das Füllmedium vom linken Verdrängungsverflüssiger 65 in den rechten Verdrängungsverflüssiger 5 schiebt und bei einer umgekehrten Einstellung wieder zurück von 5 nach 65.
In einer Einzelperiode laufen die folgenden Arbeitsschritte (vgl. Bild 5) ab:
1. Ansaugen:
Schritt 1: Bei geöffnetem Einströmventil 51 strömt das Kältemittel als Kaltdampf aus dem Verdampfer 1 in das frei geräumte oder frei werdende Restvolumen 3 des Verdrängungsverflüssiger 5. Die Freiräumung erfolgt durch das Entleeren der Verdrängungsblase 2.
2. Verdichten
Teilschritt 2a : Möglichst adiabatisches Verdichten: Bei geschlossenem Einströmventil 51 beginnt die Pumpe 24 die Verdrängungsblase 2 zu füllen. Da der Gegendruck zunächst niedrig ist , erfolgt dieser Vorgang mit einem möglichst hohen Volumenstrom. Durch die Komprimierung erwärmt sich das Kältemittel, es soll möglichst rasch die Temperatur T_c erreichen, bei der später die Verflüssigung ablaufen soll.
Teilschritt 2b: Isothermes Verdichten: nach dem Erreichen von T_c wird das Verdichten mit einer anderen Zielsetzung fortgeführt. Die Kompression soll nun nur noch – bei steigendem Gegendruck – in dem Tempo fortschreiten, wie Wärme aus dem Kältemittel abgeführt werden kann. Im Idealfall ergibt sich also eine isotherme Verdichtung. Die Druckerhöhung wird solange fortgesetzt bis das Kältemittel – bei dem Solldruck p_c – zu kondensieren beginnt.
3. Verflüssigen
Schritt 3: Unter gleichbleibendem Gegendruck p_c wird die Blase 2 weiterhin gefüllt bis der gesamte Kältemitteldampf verflüssigt ist.
4. Entspannen
Schritt 4 : Nun wird das Ventil 41 geöffnet und die Flüssigkeit entspannt sich über das Entspannungsventil 4 und fließt in den Verdampfer 1. Nach dem Ausschieben der gesamten Flüssigkeit nimmt die Verdrängerblase 2 nun das gesamte Volumen des Behälters (55 in Bild 4) ein.
Nun wiederholt sich der Arbeitsablauf wieder mit Schritt 1 (Ansaugen).
Eine besondere Ausgestaltung des Entspannungsprozesses, die eine Nutzung der Rest Exergie der hochgespannten „warmen" Flüssigkeit durch Aufwärmen eines zweiten Wärmeträgers beinhaltet, wird im Abschnitt 4 behandelt.
2.3 Ein Carnot naher Vergleichsprozess
Als idealer thermodynamischer Vergleichsprozess kann ein Prozess {1→2→2'→3→4k} gewählt werden, der sich weitgehend dem linksläufigen Carnot Prozess {1→2→2'→3→4} anschmiegt. Bild 2 beschreibt den Vergleichsprozess im p-h Diagramm und definiert die Eckpunkte des Verfahrens als Zustandspunkte des Kältemittels. In Bild 3 ist der ideale Vergleichsprozess im T-s Diagramm dargestellt. Bild 2 und Bild 3 enthalten zum Vergleich auch die Eckpunkte des herkömmlichen Wärmepumpenprozess {1→2k→3→4k} , der bereits im Abschnitt 1 beschrieben wurde. Die einzelnen Abschnitte des idealen thermodynamischen Vergleichsprozesses für das Verdrängungsverfahren werden folgendermaßen beschrieben (Bild 2 und Bild 3):
1→2 Isentrope Verdichtung: Ausgehend vom gesättigten Kaltdampfzustand 1 erfolgt eine isentrope Verdichtung im Überhitzungsbereich bis im Zustandspunkt 2 die Isotherme der (späteren ) Verflüssigungstemperatur T_c erreicht ist. (entspricht Teilschritt 2a im Abschnitt 2.2).
2→2' Isotherme Verdichtung auf der Isothermen T_c: Im Verdrängungsverflüssiger ist eine Verdichtung unter gleichzeitiger Wärmeabfuhr an das Heizmedium möglich. Druckerhöhung und Wärmeabfuhr können so gesteuert werden, dass eine T_c übersteigende Überhitzung des Kältemittels vermieden wird. (entspricht Teilschritt 2b).
2'→3 Isotherme und Isobare Verflüssigung im Zweiphasengebiet bei der Verflüssigungstemperatur T_c. (entspricht Schritt 3 „Verflüssigen")
3→4k Isenthalpe Entspannung über ein Drosselventil (entspricht Schritt 4 „Entspannen")
4k→1 Isothermes Verdampfen (entspricht Schritt 1 „Ansaugen")
Der Vergleichsprozess entspricht also weitgehend dem linksläufigen Carnot Prozess. Der Prozess findet zwischen den zwei Isothermen T₀ und T_c statt. Der erste Übergang, der Übergang zur höheren Temperatur T_c, erfolgt adiabatisch (isentropisch) wie im Carnot Prozess; der zweite Übergang, der Übergang zur Verdampfungstemperatur T₀, erfolgt durch isenthalpe Entspannung im Drosselventil, was insbesondere im Bereich der Sättigungskurve nicht sehr weit von der Isentropie entfernt ist.
2.4 Bemerkung zum Problem des „schädlichen Raum"
Der „schädliche Raum", d.h. das Volumen des nach der Verflüssigung nicht ausgeschobenen Kältemittels, spielt für die Leistungsfähigkeit eines herkömmlichen Hubkolben Kompressors eine wichtige Rolle ( siehe z.B. /4/). Auch im Falle des Verdrängungsverflüssigers sollte er möglichst klein sein. Da die Verdrängungsblase 2 aber im Gegensatz zum Kolben beim Hubkolbenverdichter elastisch ist, kann sie fest an die Behälterwand (einschließlich Deckel) angepresst werden. Die Behälterwand ist daher so zu formen, dass sie die Gestalt der sich ausdehnenden Blase möglichst gut aufnehmen kann. Dadurch ergeben sich konstruktive Möglichkeiten, den schädlichen Raum besonders klein zu halten.
Der schädliche Raum ist darüber hinaus beim Verdrängungsverflüssiger viel weniger schädlich als beim Hubkolbenverdichter:
Dies erfolgt einmal bereits daraus, dass die Schädlichkeit des „schädlichen Raumes" nicht von seiner absoluten Größe sondern von seinem Anteil am Ansaugvolumen abhängt. Beim Verdrängungsverflüssiger ist dieses jedoch wesentlich größer als bei einem herkömmlichen Kompressor.
Zum anderen ergibt sich aus dem zeitlich gestreckten und steuerbaren Verdichtungs- und Ausschiebevorgang die Möglichkeit, dass am Ende der Ausschiebungsphase des flüssigen Kältemittels die Verdrängungsblase eine „kurze Pause" einlegt , in der der Druck der Restflüssigkeit im schädlichen Raum sich über das weiterhin offen bleibende Ventil 41 und die Entspannungsdrossel 4 entspannen kann. Das verbleibende Kältemittel beginnt dann wg. des Druckabbaues wieder zu sieden und nimmt letztendlich als Gas den Verdampferdruck p₀ an; wobei es natürlich von den sonstigen technischen Anforderungen abhängt, wieviel Zeit man dieser „Ruhephase" zuteilen will. Man beachte, dass wegen der Umkehr der Pumprichtung eine gewisse Umschaltpause sowieso unvermeidlich ist.
Beim herkömmlichen Kompressor begrenzt der „schädliche Raum" den erreichbaren Druck. Diese Grenze ist beim Verdrängungsverflüssiger in dieser Form nicht gegeben, so dass hier das Kältemittel höher verdichtet werden kann.
2.5 Weitere Einzelheiten bei der technischen Umsetzung
2.51 Zeitliche Steuerung des Verdrängungsverflüssigers
Wichtig ist, dass sich die Verfahrensschritte zeitlich steuern lassen. Dadurch wird es überhaupt erst möglich, sich dem linksläufigen Carnot Prozess weitgehend anzunähern. Unter Bezug auf den Vergleichsprozess (Bild 2 und Bild 3) wird man aus Gründen der thermodynamischen Optimierung bestrebt sein, dass:

– 1. beim isothermen Verdampfen (Schritt 1; Referenzpunkte 4k→1) das Einströmen des Kaltdampfes in den Verdrängungsverflüssiger rasch erfolgt, damit der Kaltdampf in der „Ansaugphase" möglichst wenig Temperaturerhöhung durch Wärmetransport aus dem Verdrängungsverflüssiger erhält. Eine derartige Überhitzung des Kaltdampfes ist aus 2 Gründen schädlich: (1). Leistungsverringerung (Irreversible Wärmeverluste vom Temperaturniveau T_c her). (2) Erhöhung der notwendigen Verdrängungsarbeit, da die isentrope Verdichtungsarbeit zwischen 2 Druckniveaus bei thermischer Überhitzung größer wird (im Druck-Enthalpie (p-h) Diagramm verlaufen die Isentropen bei steigender Enthalpie flacher)
– 2. Beim Schritt 2, Verdichten, sollte – aus dem gleichen Grund wie bei Punkt 1 – das Einpumpen des Füllmediums zunächst im Teilschritt 2a (möglichst adiabatisches Verdichten; Referenzpunkte 1→2) so lange rasch erfolgen bis das Kältemittel die Temperatur T_c erreicht hat. Danach sollte die weitere Verdichtung möglichst isotherm erfolgen (Teilschritt 2b Referenzpunkte 2→2'). Bei der Verdichtung im überhitzten Dampfbereich ist der Wärmeübergang vom (noch nicht kondensierenden) Kältemittelgas auf die Wärmetauscher Flächen noch relativ gering, um sich dann bei Einsetzen der Kondensation gründlich zu erhöhen. Durch Steuerung des Zustromes des Füllmediums sollte eine einigermaßen isotherme Kompression möglich sein.

2.52 Ausnutzung des Verdampfungsdruckes
Um die Verdrängungsarbeit im Verdrängungsverflüssiger 5 zu optimieren, muss der Druck p₀ des verdampfenden Kältemittels ausgenutzt werden. Dies ist bei der Anordnung nach Bild 6, bei der das Füllmedium zwischen zwei gleichartigen Verdrängungsverflüssigern 5 und 65 hin und her gepumpt wird, bereits weitgehend gegeben. Der Druck p_o des Verdampfers 1 wird dort nämlich über die Quellblase (z.B. 62 – wie in Bild 6 dargestellt) auf das Füllmedium und dadurch auf den Eingang der Pumpe 24 übertragen. Andererseits vermindert die direkte Kopplung der Quellblase (beispielsweise 62) mit der Zielblase (beispielsweise 2) die Möglichkeiten der individuellen zeitlichen Optimierung in jeder der beiden Verdrängungsblasen (2 und 62).
Je nach Verdampfungsdruck p₀, der vom Kältemittel und von der Verdampfungstemperatur T₀ abhängt, ist abzuwägen, ob man der Optimierung des zeitlichen Ablaufes nach Abschnitt 2.51 oder der Ausnutzung des Verdampferdruckes p₀ Priorität einräumt. Bei einer anderen Realisierung des Reservoirs 6 muss u.U. auf die Nutzung des Eingangsdruckes p₀ gänzlich verzichtet werden.
2.53 Thermodynamischer worst case: Isobare Vorerwärmung
Der thermodynamisch ungünstigste Fall tritt auf, wenn der Kältemitteldampf bereits während der Ansaugphase auf die Verflüssigungstemperatur T_c aufgeheizt wird. Dieser „Grenzfall der Isobaren Vorerwärmung" ist im p-h Diagramm in Bild 8 und im T-s Diagramm in Bild 9 dargestellt. Im Verdrängungsverflüssiger (5) wird dort der einströmende Kältemitteldampf zunächst isobar durch die Wände des Behälters und der Blase auf die Verflüssigungstemperatur T_c vorgewärmt (Schritt 1→2p). Danach erfolgt die isotherme Verdichtung 2p→2→2' über den Eckpunkt 2 des linksläufigen Carnot Prozesses bis zum Einsetzen der Verflüssigung im Referenzpunkt 2'. Im Vergleich zum linksläufigen Carnot Prozess 1→2→2' muss also für den „Vorerwärmungs-Zwickel" 1→2p→2 zusätzliche Energie aufgebracht werden. Im gewählten Beispiel (Bild 9) ist jedoch der Vorerwärmungs-Zwickel (1→2p→2) deutlich kleiner als das ebenfalls in Bild 9 eingezeichnete Überhitzungshorn (2→2k→2') des klassischen Wärmepumpen Prozesses.
Falls der Vorerwärmungs Zwickel im Verdrängungsverflüssiger sowieso nicht zu vermeiden ist, kann man durch einen kleinen Trick wenigstens vermeiden, dass die hierzu verbrauchte Wärme gänzlich aus dem oberen Temperaturniveau T_c herkommt. Hierzu bietet sich eine externe Aufheizung des Kältemitteldampfes im Gegenstrom zu einer Unterkühlung des gespannten flüssigen Kältemittels (vgl. Schritt : 3→4a auf der linken Seite in Bild 8) und die daran anschließende Entspannung 4a→4' im Flüssigkeitsbereich an. Diese Wärmeübertragung, die übrigens aus technischen Gründen auch bei der klassischen Kompressor Wärmepumpe verbreitet ist, verringert jedoch die im Abschnitt 4 beschriebene Ausnutzung der Rest Exergie des gespannten flüssigen Kältemittels zur gesonderten Aufheizung von Frischluft oder Frischwasser.
2.54 Pumpenaggregat
Die Verdichtung des Kältemittels erfolgt über einen großen Druckbereich, über den dann auch ein möglichst hoher Wirkungsgrad der Pumpe für das Füllmedium gefordert ist. Preisgünstige Standardmodelle, die über einen hohen Wirkungsgrad nur in einem eingeschränkten Bereich verfügen, können durch Serien- und Parallelschaltung zu einem Pumpenaggregat zusammen geschaltet werden, das sich den veränderlichen Druck- und Volumenstrom-Anforderungen anpasst. Maßgebend ist nur die resultierende Kennlinie und die Steuerbarkeit des gesamten Pumpenaggregates.
3. Vorteile des Vedrängungsverfahren
Der grundlegende Eigenschaft des Verdrängungsverfahrens besteht darin, dass die zur Verdichtung aufzubringende mechanische Arbeit durch eine für den anstehenden Druckbereich ausgelegte Pumpe oder Kombination von Pumpen („Pumpenaggregat") erbracht wird. Die Übertragung der Arbeit auf das Kältemittel erfolgt dann hydraulisch (oder pneumatisch) über die Ausdehnung einer Blase. Die Wand dieser Blase ist das einzige sich bewegende Bauteil, das mit dem Kältemittel in Berührung kommt.
Daraus und aus der räumlichen und verfahrenstechnischen Kombination von Verdichtung und Verflüssigung ergeben sich gegenüber dem herkömmlichen Wärmepumpenprozess:

– größere Freiheiten für die Gestaltung des thermodynamischen Kreisprozesses
– eine Erschließung von bisher „unzugänglichen" Bereichen des Zustandsraumes des Kältemittels
– eine Befreiung von technischen Restriktionen, die durch das Bauteil „Kompressor" verursacht wurden.

Im Einzelnen lässt sich auflisten:
Themodynamische Vorteile

– Zur Erreichung des Verflüssigungsdruckes kann im Verdrängungsverflüssiger eine isotherme Verdichtung durchgeführt werden.
– Da das „Überhitzungshorn" vermieden werden kann, lassen sich bei Hitze empfindlichen Kältemittel höhere Drücke realisieren.
– Die Verdichtung des Kältemittels muss keine Rücksichten mehr auf Eigenschaften wie „Vermeidung von Flüssigkeitsanteilen" oder „Temperaturbeständigkeit des Verdichters" nehmen. Daher kann die thermodynamische Prozessführung größere Bereiche im Zustandsdiagramm des Kältemittels ausnutzen. Beispielsweise könnte das Kältemittel auch als Nassdampf komprimiert werden, daher entfallen diesbezügliche Sicherheitszuschläge.
– Ein mehrstufiger Prozess lässt sich ohne großen Aufwand realisieren.

Technische Vorteile

– Das Pumpenaggregat als Verdichtungsmaschine arbeitet mit einem Füllmedium (z.B. Wasser), das völlig unabhängig vom verwendeten Kältemittel ist. Es kann daher ohne besondere Anpassungen mit verschiedenartigen Kältemitteln gearbeitet werden. Auch ein Wechsel zu einem anderen Kältemittel ist einfach möglich.
– Das Pumpenaggregat kann daher weitgehend unabhängig vom Einsatz in einer speziellen Kältemaschine oder Wärmepumpe optimiert werden
– Probleme entfallen, die sich aus der Abdichtung, der Schmierung und dem Korrosionsschutz eines bewegten Kolbens ergaben. Dies erlaubt höhere Drücke und auch geringere Anforderungen an potentielle Kältemittel.
– Das u.U. umweltschädliche oder toxische (z.B. Ammoniak) Kältemittel lässt sich sicherer von der Umwelt abschirmen, da die bisherige Schwachstelle Kompressor entfällt.
– Das bei herkömmlichen Kompressoren auftretende „Problem des schädlichen Raumes" (Abschnitt 2.4) wird im Verdrängungsverflüssiger wesentlich entschärft und kann durch entsprechende Prozessführung sogar gänzlich vermieden werden.

4. Das Aufheizverfahren
Im klassischen Wärmepumpen Verfahren ergibt sich ein allgemein bekannter Nachteil daraus, dass die Exergie des verflüssigten und noch unter hohem Druck stehenden Kältemittels überhaupt nicht ausgenutzt wird (Mangel 1.4 der Liste in Abschnitt 1). Manchmal wird eine Wärmeübertragung vom gespannten flüssigen Kältemittel auf das gerade verdampfte Kältemittelgas /5/ beschrieben. Aus thermodynamischer Sicht bringt dies im Rahmen des klassischen Wärmepumpen Verfahrens jedoch insgesamt nicht viel: Durch die Aufheizung des noch nicht komprimierten Kältemitteldampfes wird nämlich bei der anschließenden Verdichtung ein zusätzlicher Arbeitsaufwand erforderlich, da die Isentropen nach einer Isobaren Überhitzung im p-h Diagramm flacher verlaufen; auf die Diskussion dieses Punkte durch Stoecker und Jones /6/ wird verwiesen.
Im Verdrängungsverfahren erhält dieser Wärmeübertrag im Falle einer sowieso nicht vermeidbaren Isobaren Vorerwärmung einen anderen Sinn (siehe Abschnitt 2.53). Unabhängig von diesem Vorgehen kann man jedoch auch eine direkte Nutzung der Exergie des gespannten flüssigen Kältemittels ins Auge fassen.
Normalerweise geht man bei Wärmepumpen für den Heizbetrieb davon aus, dass nur ein einziger Wärmeträger, meist das Heizungswasser, "warm gehalten" werden muss, dass also der relativ kleine Temperaturverlust im Heizkörper (Radiator oder Fußbodenheizung) wieder durch die Verflüssigen Wärme bei der Temperatur T_c ausgeglichen wird. Der Wärmebedarf zur Aufheizung der Frischluft wird dann durch Wärmeübertrag von den warmen Wänden des Zimmers oder auch durch direkte Aufheizung am Heizkörper gedeckt. Thermodynamisch liegt hierin jedoch eine Verschwendung, da die Frischluft ja im Gegensatz zu den Wänden und der Innenluft nicht auf konstanter Temperatur warm gehalten werden muss, sondern von der Außentemperatur auf die Innentemperatur aufgeheizt wird. Die hierfür nötige Wärmemenge kann daher im Mittel bei einer Temperatur, die deutlich unter der Innentemperatur liegt, übertragen werden; dafür ist jedoch weniger Exergie nötig.
Erfolgt diese Aufheizung von der Außentemperatur aus im Gegenstrom zu dem noch nicht entspannten flüssigen Kältemittel, so ergibt sich eine günstige Ausnutzung von dessen Rest Exergie. In der Wärmepumpen Schaltung Bild 10 ist daher vor die Entspannungsdrossel 4 noch ein Wärmeübertrager 8 zur Aufheizung eines zweiten Wärmeträgers eingeschaltet. Neben Frischluft kann auch Frischwasser in einem Wärmetauscher 8 aufgeheizt werden.
Das hier beschriebene Aufheizverfahren kann selbstverständlich auch bei einer herkömmlichen Wärmepumpe eingesetzt werden (Bild 11). Auch hier erfolgt die Erwärmung eines Aufheiz-Wärmeträgers 71 wie z.B. Frischluft oder Frischwasser in einem zusätzlichen Wärmetauscher 8 durch Wärmeübertrag aus dem noch nicht entspannten flüssigen Kältemittel. Das Aufheizverfahren ist besonders interessant für dezentrale Wärmepumpen in gut wärmegedämmten Häusern, weil dort der Wärmebedarf für die Frischluft besonders in' s Gewicht fällt.
Thermodynamischer Vergleichsprozess
Die Einführung des Wärmeübertragers 8 modifiziert den idealen Vergleichsprozess. Die direkte isenthalpe Entspannung über ein Drosselventil, also der Verfahrensschritt 3→4k, ist durch folgende Verfahrensschritte (siehe Bild 12 und Bild 13) zu ersetzen: 3→4a Isobare Unterkühlung des flüssigen Kältemittels durch Wärmetausch im Gegenstrom mit einem „Aufheizungsmedium", einem aus Umgebungstemperatur heraus zu erwärmenden Medium (z.B. Frischluft) oder Erwärmung von Kaltwasser.
4a→4' Isenthalpe Entspannung des flüssigen Kältemittels, das wegen der Unterkühlung bis herunter zum Verdampferdruck p₀ flüssig bleibt.
4'→4k (und dann weiter nach 1) Isotherme und isobare Verdampfung. Die Verdampfung erfolgt nun über einen größeren Enthalpiebereich, da der Teilschritt 4'→4k zu dem bisherigen Bereich 4k→1 noch hinzu kommt.
Der Prozess {3→4a→4'→4} zum Aufheizen von Frischluft oder Frischwasser stellt zwar eine stärkere Abweichung vom linksläufigen Carnot Prozess dar, führt aber tatsächlich zu einer weiteren Verbesserung des Wirkungsgrades. Die Exergie des Kältemittels im Zustande 3, der sich auf der Flüssigkeitsseite der Sättigungskurve befindet, geht beim direkten irreversiblen Übergang 3→4k vollständig verloren. Im Falle der Isobaren Unterkühlung wird diese Exergie jedoch weitgehend dazu genutzt, die Erwärmung des „Aufheizungsmedium" (z.B. Frischluft oder Frischwasser) zu bewirken. Da der Wärmetausch am flüssigen Kältemittel erfolgt, lässt er sich auch technisch wenig aufwändig durchführen.
Bei der isenthalpen Entspannung der Flüssigkeit im unterkühlten Bereich (vom Zustand 4a nach 4') wird sehr wenig Exergie vernichtet, weil dort die Isenthalpen sich nur noch sehr wenig von den Isentropen unterscheiden. (In den Diagrammen Bild 13 und Bild 14 ist der Abstand der Deutlichkeit halber absichtlich etwas verzerrt dargestellt.) Bei Vergleich des Wirkungsgrades dieses Verfahrens mit dem Carnotfaktor muss natürlich berücksichtigt werden, dass die Nutzwärme hier auf zwei unterschiedlichen Temperaturniveaus anfällt. Der Warmwasser-Heizkreis erhält seine Wärme bei der Verflüssigungstemperatur T_c; das zweite Heizmedium, das „Aufheizungsmedium" wird hingegen im idealen reversiblen Fall nur auf die Verflüssigungstemperatur T_c aufgeheizt, der Wärmeübergang findet also nur bei einer Effektivtemperatur von etwa
Teff = 0,5·(T0 + Tc)
statt. Als Vergleichsmaßstab muß daher das mit den Wärmeanteilen gewichtete Mittel der Carnotfaktoren zu T_c und T_eff gelten.
Im Bild 14 ist noch einmal der Wärmepumpenprozess mit der Verbesserung durch Verdrängungs- und Aufheizverfahren zusammengefasst dargestellt. Anzustreben ist die Annäherung an den idealen Vergleichsprozess {1→2→3→4a→4→1} . Aber auch der beschriebene „Umweg" über den eigentlich ungewollten „Vorerwärmungs-Zwickel" {1→2p→2} ergibt immer noch deutliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik.
Schrifttum

1. Recknagel-Sprenger Schramek: „Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik", Abschnitt 5.2 „Kältetechnik – Theoretische Grundlagen", 70. Auflage (2001), Oldenbourg Verlag, München, ISBN 3-486-26450-8
2. Stoecker, W.F. und Jones, J.F.: „Refrigeration and air conditioning", Chapter 10: „The vapor compression cycle", Mc Graw Hill, New York 1982, ISBN 0-07-061619-1
3. Cube, H.L. und Steimle, F: „ Wärmepumpen – Grundlagen und Praxis ", VDI-Verlag, Essen (1984), ISBN 3-18-400540-2
4. Recknagel-Sprenger Schramek: siehe Zitat 1; – Abschnitt 5.4.1-1 „Hubkolbenverdichter"
5. Cube, H.L. und Steimle, F : siehe Zitat 3, Abschnitt 3.5.4 „Verbesserung durch Unterkühlung", Seite 21 ff.
6. Stoecker, W.F. und Jones, J.F.: siehe Zitat 2; Abschnitt 10.15 „Heat exchangers (liquid-to-suction)", Seite 200 ff.

Anhang
A1: Bezeichnung der Referenz Punkte in den themodynamischen Diagrammen
Die Referenz Punkte In den thermodynamischen Diagrammen werden einheitlich und systematisch bezeichnet. Die vier Eckpunkte des zwischen Verdampfungs- und Verflüssigungs-Temperatur ablaufenden Carnot Prozesses werden ohne weitere Zusätze mit den Ziffern 1–4 gekennzeichnet, wobei wie üblich als Startpunkt der Zustand nach der Verdampfung des Kältemittels gewählt wurde. Zusätzliche Prozesspunkte, die auf der Phasengrenze liegen, werden mit einem Apostroph (') markiert.
Besondere Punkte, die sich aus den Abweichungen des betrachteten Prozesses vom Carnot Prozess ergeben, werden durch Zusätze zum zugehörigen Carnot – Eckpunkt charakterisiert. Der Zusatz „k" steht hierbei für den Wärmepumpen Prozess mit herkömmlichem Kompressor. Der Zusatz „a" benennt die Aufheizung des zusätzlichen Erwärmungsmedium und der Zusatz „p" charakterisiert den Grenzfall der Isobaren Vorerwärmung des gasförmigen Kältemittels.
Der „zugehörige " Carnot-Eckpunkt eines Referenzpunktes wird grundsätzlich aus dem T-s Diagramm abgeleitet und ist daher vor allem durch das Temperaturniveau bestimmt.
Bildunterschriften
Bild 1: Schema einer herkömmlichen Wärmepumpe („Kompressor Wärmepumpe")
Bild 2 : log p-h Diagramm: Vergleichsprozesse für den herkömmlichen Wärmepumpen Prozess 1→2k→3→4k und für den erfindungsgemäßen Wärmepumpen Prozess (ohne Aufheizung) 1→2→2'→3→4k .
Bild 3: T-s Diagramm für den idealen Wärmepumpen Prozess:
Herkömmlicher Prozess mit Kompressor: 1→2k→2'→3→4k
Erfindungsgemäßer Prozess (ohne Aufheizung): 1→2→2'→3→4k
Bild 4: Der Verdrängungsverflüssiger 5
Bild 5: Schaltbild der Wärmepumpe mit Verdrängungsverflüssiger (schematisch)
Bild 6: Verdrängungs-Wärmepumpe: als Reservoir für das Füllmedium dient ein zweiter Verdrängurgsverflüssiger 65
Bild 7: Schaltung von 2 Paaren (245 und 246) von Absperrventilen zur Richtungsänderung einer Pumpe 24
Bild 8: Grenzfall der Isobaren Vorerwärmung im log p-h Diagramm, mit dem „Vorerwärmungs Zwickel" {1→2p→2}
Bild 9: Grenzfall der Isobaren Vorerwärmung im T-s Diagramm, mit dem „Vorerwärmungs Zwickel" {1→2p→2}
Bild 10: Schaltbild der Wärmepumpe mit Verdrängungsverflüssiger 5 und Wärmeübertrager 8 zur Erwärmung eines zusätzlichen Aufheizmediums wie z.B. Frischluft oder Frischwasser.
Bild 11: Herkömmliche Wärmepumpen Schaltung mit einem zusätzlichen Wärmetauscher 8 zur Erwärmung eines zusätzlichen „Aufheizungsmediums" 71 wie z.B. Frischluft oder Frischwasser.
Bild 12: log p – h Diagramm: Wärmepumpenprozesse mit Aufheizung (Schritte 3→4a→4') eines zweiten Mediums, des Aufheizungsmediums.
Bild 13: T-s Diagramm: Wärmepumpenprozesse mit Aufheizung (Schritte 3→4a→4') eines zweiten Mediums, des Aufheizungsmediums.
Bild 14: T-s Diagramm für den Vergleichsprozess des erfindungsgemäßen WP-Prozess mit Aufheizung eines zweiten Mediums, des Aufheizungsmediums

Claims

Vorrichtung zur Verdichtung und Verflüssigung eines Kältemittels im Rahmen eines Kälte- oder Wärmepumpen-Prozesses dadurch gekennzeichnet, dass sie besteht aus einem starren druckfesten Behälter (z.B. einem Zylinder) für das Kältemittel und aus einer in diesen Behälter eingeführten „Blase", deren Innenraum gegen das Kältemittel hermetisch abgedichtet ist und deren Volumen durch Zufuhr oder Abfuhr eines Füllmediums (einer Flüssigkeit, eines Dampfes oder eines Gases) veränderlich ist, wobei diese Blase durch ihre Volumenänderung das dem Kältemittel zur Verfügung stehende Restvolumen und dadurch seinen Druck verändert bzw. das Kältemittel fortschreitend verflüssigt, und aus einer Kühlvorrichtung, die am Behälter angebracht wird und/oder durch den Wärmeübertrag vom sich verdichtenden oder sich verflüssigenden Kältemittel durch die Blasenwand auf das gleichzeitig als Wärmeträger dienende Füllmedium der Blase gegeben ist. (Diese Vorrichtung wird Verdrängungsverflüssiger genannt.)
Vorrichtung zur Verdichtung und Verflüssigung eines Kältemittels im Rahmen eines Kälte- oder Wärmepumpen-Prozesses dadurch gekennzeichnet, dass sie besteht aus einem starren druckfesten Behälter und aus einer in diesen Behälter eingeführten beweglichen Membran, welche den Behälter in einen für die Aufnahme des Kältemittels vorgesehenen ersten Teilraum und einen hiervon hermetisch abgedichteten zweiten Teilraum, welcher ein Füllmedium (Flüssigkeit, Dampf oder Gas) aufnehmen kann, unterteilt, wobei das Volumenverhältnis dieser beiden zueinander komplementären Teilräume durch Zufuhr oder Abfuhr des Füllmediums veränderbar ist, und durch diese Volumenänderung der Druck des Kältemittels verändert wird bzw. das Kältemittel fortschreitend verflüssigt wird, und aus einer Kühlvorrichtung, die am Behälter angebracht wird und/oder durch den Wärmeübertrag vom sich verdichtenden oder sich verflüssigenden Kältemittel durch die Membran auf das gleichzeitig als Wärmeträger dienende Füllmedium des zweiten Teilraumes gegeben ist. (Auch diese Vorrichtung wird Verdrängungsverflüssiger genannt.)
Verfahren zur Bereitstellung von Wärme oder Kälte mittels eines thermodynamischen Kälte- oder Wärmepumpen Prozesses, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtung des Kältemittels durch die hydraulisch oder pneumatisch oder mechanisch bewirkte Ausdehnung einer Blase oder eines durch eine Membran abgetrennten Teilvolumens erfolgt, die bzw. das sich innerhalb eines ansonsten mit einem Kältemittel gefüllten Behälter befindet.
Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Verdichtung auch die Verflüssigung des Kältemittels im gleichen Behälter stattfinden.
Verfahren nach Anspruch 3 und 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtung und Verflüssigung des Kältemittels in einem Verdrängungsverflüssiger nach Anspruch 1 oder 2 stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtung und Verflüssigung des Kältemittels in zwei phasenversetzt betriebenen Verdrängungsverflüssigern stattfindet und zwar derart, dass das Füllmedium zwischen den beiden Verdrängungsverflüssigern hin und her gepumpt wird.
Verfahren nach Anspruch 3–6 dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichtungsprozess so gesteuert wird, dass, nachdem das Kältemittel die als Verflüssigungstemperatur T_c festgelegte Temperatur erreicht hat, die weitere Verdichtung unter Wärmeabgabe an die Kühlflüssigkeit, die identisch mit dem Füllmedium sein kann, möglichst isotherm erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3–7 dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel nach Austritt aus dem Verdampfer isobar durch Wärmetausch mit dem gespannten verflΰssigten Kältemittel vorgewärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3–7 dadurch gekennzeichnet, dass der Wärme- und Exergieinhalt des verflüssigten gespannten Kältemittels zur Aufheizung eines Mediums wie z.B. Frischluft oder Frischwasser verwendet wird , dessen Temperatur von der Umgebungstemperatur ausgehend aufgeheizt werden muss.
Wärmepumpenverfahren (allgemein) dadurch gekennzeichnet, dass der Wärme- und Exergieinhalt des verflüssigten gespannten Kältemittels zur Aufheizung eines Mediums wie z.B. Frischluft oder Frischwasser verwendet wird, dessen Temperatur von der Umgebungstemperatur ausgehend aufgeheizt werden muss.