DE10344698B4

DE10344698B4 - Wärmepumpe oder Kältemaschine mit Verdrängungsverflüssiger

Info

Publication number: DE10344698B4
Application number: DE10344698A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Luther
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2003-09-26
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2023-09-27
Also published as: DE10245694A1; DE10344698A1

Abstract

Verfahren zur Bereitstellung von Kälte oder Wärme mittels eines mechanisch angetriebenen thermodynamischen Kälte- oder Wärmepumpen Prozesses mit einem Verdampfer (1), einem Verdichter, einem Verflüssiger und einem Expansionsventil zum Verdichten und Verflüssigen eines Kältemittels dadurch gekennzeichnet, dass
anstelle des Verdichters und des Verflüssigers ein Verdrängungsverflüssiger (5) verwendet wird,
in dem die Verdichtung und die Verflüssigung des Kältemittels (16) vollständig oder teilweise durch die über ein Füllmedium (26) hydraulisch oder pneumatisch bewirkte oder durch die mechanisch bewirkte Volumen Ausdehnung
einer Blase (2)
oder eines durch eine Membran (25a) abgetrennten Teilvolumens (2a) erfolgt,
die bzw. das sich innerhalb eines ansonsten mit einem Kältemittel (16) gefüllten Behälters (55) bzw. (55a) befindet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für eine Wärmepumpe oder Kältemaschine, bei der anstelle des Verdichters und des Verflüssigers ein Verdrängungsverflüssiger nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 verwendet wird.
1. Mängel des klassischen Wärmepumpenverfahrens
Sowohl der Wärmepumpe als auch der Kälteerzeugung liegt der gleiche thermodynamische Prozess zugrunde. Um die sprachliche Form zu vereinfachen, wird daher im Folgenden in der Regel vom Fall der Wärmepumpe ausgegangen. (siehe Anhang A2: Bemerkung zur Sprechweise) Im klassischen mechanisch angetriebenen Wärmepumpen Verfahren (Bild 1) wird das Kältemittel 16 im Verdampfer 1 bei der Temperatur T₀ und dem Druck p₀ verdampft , im Kompressor 22 verdichtet und im Verflüssiger 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 im Druck- Enthalpie (log p – h) Diagramm und in Bild 3 im für theoretische Untersuchungen manchmal 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 = 2033 [kPa]) gewählt:
Das vollständig verdampfte Kältemittel 16 (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 Verflüssiger 33 wird das Kältemittel 16 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 Verflüssiger muss der Verdichter den Enddruck des Kältemittels in einem einzigen Arbeitsgang (Hub) im überhitzten Bereich 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, oder eine kontrollierte adiabatische Zwischenabkühlung durch Einspritzung von gespanntem Kondensat zu realisieren.
(1.2) Durch die unvermeidbare Überhitzung im Überhitzungshorn wird das Erreichen hoher Verflüssigertemperaturen zusätzlich erschwert.
(1.3) Der reale thermodynamische Prozess muss Rücksicht auf technische Empfind lichkeiten des Kompressors nehmen. So muss beispielsweise der Flüssigkeitsgehalt des Fluids beim Ansaugen in den Kompressor begrenzt werden und eine Kompression im Zweiphasengebiet ist praktisch nicht möglich.
(1.4) Mehrstufige Prozesse sind aufwändig, da für jedes Kältemittel ein gesonderter Kompressor bereitgestellt werden muss.
(1.5) Ein zusätzlicher altbekannter 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 Kätemittels nehmen, was beispielsweise Auswirkungen auf die Betriebstemperatur (man beachte die verfahrenstechnisch notwendige 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 För dervolumen 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 1.5 lassen sich alle oben aufgezeigten Mängel im Kern auf zwei Eigenschaften des klassischen Verfahrens zur Verdichtung des kalten Sauggases zurückführen:

(1) die Maschine zur Erzeugung der Verdichtung, also der Kompressor, 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 sich der Verdichtungsvorgang, also der Ablauf der Verdichtung im Einzelnen , nicht steuern lässt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht also darin, für eine Wärmepumpe oder eine Kältemaschine ein Verfahren und eine Vorrichtung zu finden, die ohne einen im Kältemittelkreislauf liegenden Kompressor arbeiten und bei denen sich der Verdichtungs- und Verflüssigungsvorgang in geeigneter Weise steuern lässt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Verdrängungsverflüssiger nach den Merkmalen in den Ansprüchen 1, 10 und 11 gelöst.
Die Idee des Kernes der Erfindung, des Vedrängungsverfahrens, besteht in zwei Ansätzen:

(1) die Kompressionsarbeit wird vollständig oder zumindest teilweise durch Pumpen (oder auch Kompressoren) aufgebracht, die nicht unmittelbar im eigentlichen Kältemittel Kreislauf liegen. Zur Übertragung der Kompressionsarbeit auf das Kältemittel 16 wird ein Füllmedium 26 (z.B. Wasser, oder auch Luft) in den eigentlichen Kompressionsraum hinein gedrückt, wobei eine Vermischung mit dem Kältemittel 16 durch eine Membran 25a oder Blase 2 unterbunden wird.
(2) Verdichtung und Verflüssigung des Kältemittels 16 finden in ein und demselben, auch auf die Wärmeübertragungs- Anforderungen eines Verflüssigers ausgelegten Behältnis 55 statt. Während der Verdichtungsphase können daher auch zusätzliche Prozesse wie eine Wärmeübertragung an das Heizmedium oder eine adiabatische Abkühlung des Kältemittels 16 durch Eindüsen von Kondensat stattfinden .

2.1 Der Verdrängungsverflüssiger
Das charakteristische Bauelement dieses Verdrängungsverfahrens ist das für den Wärmepumpenprozess neue Bauteil „Verdrängungsverdichter und Verflüssiger", 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 25 (oder Membran 25a oder die Wand eines Schlauches) 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 dem Kältemittel 16, einem Kältemittelgas oder auch nassem Kältemitteldampf, fül len. Die Blase 2 lässt sich über eine Zuleitung 23 und ein Ventil 21 mit einem Fluid, dem Füllmedium 26, füllen, wodurch sich die Blase 2 auf Kosten des Restvolumens 3 aus dehnt. Bei geschlossenem Ventil 51 (das Ventil 41 bleibt ebenfalls geschlossen) erhöhen sich dadurch der Druck und die Temperatur des Kältemittels 16. Durch Wärmeübertragung an das Füllmedium 26 in der Blase 2 oder an die Wand des Behälters 55, die von außen (beispielsweise durch eine Rohrschlange 57) gekühlt werden kann, kann die im Kältemittel 16 erzeugte Wärme bzw. Kondensationswärme abgeführt werden und das Kältemittel 16 mit fortschreitender Verkleinerung des Restvolumens 3 schließlich vollständig verflüssigt werden. Die so entstandene Flüssigkeit wird über das Ventil 41 und die Druckleitung 42 (bei weiterhin geschlossenem Ventil 51) abgeführt. In Umkehrung des Befüllungsvorganges 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 könnte daher griffiger auch als „hydraulischer Verflüssiger" bezeichnet werden. Allerdings sollte diese Bezeichnung nicht als grundsätzliche Einschränkung auf die Nutzung einer Flüssigkeit als Füllmedium 26 angesehen werden. Diese Ausschließlichkeit ist nämlich nicht gegeben: auch Dampf oder eine Kombination einer Flüssigkeit mit einem Gas oder ein reines Gas („pneumatischer Verflüssiger") kann die Funktion des Füllmediums 26 ausüben. Zur Vereinfachung der Sprechweise werden wir uns jedoch schwerpunktmäßig mit dem „hydraulischen" Verflüssiger" befassen und gekünstelte Fallunterscheidungen vermeiden.
Eine Kühlflüssigkeit 7, die identisch mit dem Füllmedium 26 sein kann, kann den Verdrängungsverflüssiger 5 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.
Zur Tolerierung höherer Drücke und in Anlehnung an die Funktion (und auch das Aussehen) von „Heizkörpern" können Rohre als Behälter 55 verwendet werden. Die Blase 2 würde dann durch einen „Schlauch" im Innern eines Rohres 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.
Als Verdrängungsverflüssiger 5a eignet sich technisch vermutlich bereits auch ein etwas angepasstes herkömmliches Membran Ausdehnungsgefäß (Bild 4a), wie es in der Heizungstechnik verwendet wird. Das bei der herkömmlichen Anwendung für das Heizungswasser vorgesehene erste Teilvolumen 3a entspricht unserem Restvolumen 3 für das Kältemittel 16, das für das Stickstoffpolster vorgesehene zweite Teilvolumen 2a wird dann als „Blase" 2 für das Füllmedium 26 genutzt. Die bewegliche Membran 25a entspricht der Blasenwand 25 (Bild 4a). Die Verdrängungsverflüssiger 5 und 5a verhalten sich thermodynamisch und technisch weitgehend gleich, so dass im Folgenden sich eine Unterscheidung erübrigt und daher in der Regel stellvertretend immer nur der Verdrängungsverflüssiger "5" benannt wird.
Vom Aufbau her in Teilbereichen ähnliche Vorrichtungen – allerdings für gänzlich andere Aufgabenstellungen – sind als Stand der Technik beispielsweise als „hermetisch dichte thermodynamische Verdrängerpumpe" (/7/) oder als „dreidimensional wirkende Blasenmembranpumpe" (18/) bekannt.
Bei dem „Membrankompressor" (/9/) wird eine thermisch (!) angetriebene Wärmepumpe beschrieben, bei der im Gegensatz zur bekannten Absorptions-Wärmepumpe der Druck eines durch Aufheizung zu verdampfenden „Antriebfluids" das Kältemittel der Wärmepumpe verdichten soll. Da das Antriebsfluid nachher wieder verflüssigt werden muss, wird man aus thermodynamischen Gründen jedoch nur noch einen sehr kleinen Wärmepumpeneffekt erwarten können; eine thermodynamische Analyse oder Bemerkungen zur Ausgestaltung des Wärmepumpenprozesses werden in /9/ nicht mitgeteilt.
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 25 bzw. die Membran 25a von dem Kältemittel 16 hermetisch abgetrennt ist.
2.2 Der Wärmepumpenprozess mit Verdrängungsverflüssiger
Der Kern der Erfindung beruht darin, dass die Verdichtung durch die Ausdehnung einer Blase 2, die beispielsweise durch eine Pumpe 24 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 5) 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 Verflüssiger 33 zum Verdrängungsverflüssiger 5 vereint werden. Die Pumpe 24 versorgt die Blase 2 mit dem Füllmedium 26, wobei sich die Druckanforderung im Verlaufe der Kompression stark verändert; die Verflüssigung erfolgt jedoch bei weitgehend konstantem Druck.
In Bild 5 ist ein Reservoir 6 symbolisch als Quelle und Senke für das Füllmedium 26 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 26 zwischen den zwei Verdrängungsverflüssigern 5 und 65 hin und her. 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 24 so betrieben werden (Bild 7), dass es einmal das Füllmedium 26 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 16 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 16, 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 extern oder intern (adiabatische Kühlung durch eingespritztes gespanntes Kondensat, siehe Abschnitt 7) 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 Inneren Energie 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 externer (an das Heizmedium) oder interner (siehe Abschnitt 7) Wärmeabfuhr 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 4, was insbesondere im Bereich der Siedekurve 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 (Schritt1; 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 Tc her). (2.) Erhöhung der notwendigen Verdrängungsarbeit, da die isentrope Verdichtungsarbeit zwischen zwei 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 26 zunächst im Teilschritt 2a (möglichst adiabatisches Verdichten; Referenzpunkte 1→2 ) so lange rasch erfolgen bis das Kältemittel 16 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 externe 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 26 sollte durch externen und internen (siehe Abschnitt 7) Wärmeübergang 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 16 ausgenutzt werden. Dies ist bei der Anordnung nach Bild 6, bei der das Füllmedium 26 zwischen zwei gleichartigen Verdrängungsverflüssigern 5 und 65 hin und her gepumpt wird, bereits weitgehend gegeben. Der Druck p₀ 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 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 55 und der Blase 2 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 (1→2p→2) im Verdrängungsverflüssiger 5 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 vorgeschaltete 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 Inneren Energie des gespannten flüssigen Kältemittels (im Referenzpunkt 3) 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.
Auch eine Vorverdichtung des Kältemittels mittels eines herkömmlichen Verdichters kann erwogen werden (siehe Abschnitt 5).
3. Vorteile des Vedrängungsverfahren
Die grundlegende Eigenschaft des Verdrängungsverfahrens besteht darin, dass die zur Verdichtung aufzubringende mechanische Arbeit durch ein außerhalb des Kältemittelkreislaufes liegendes Aggregat, z.B. eine Pumpe, 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 dem Kältemittelstrom . ausgesetzte Bauteil „Kompressor" verursacht wurden.

Im Einzelnen lässt sich auflisten:
Themodynamische Vorteile

• Zur Erreichung des Verflüssigungsdruckes kann im Verdrängungsverflüssiger eine weitgehend 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 möglicherweise sowieso nicht vermeidbaren isobaren Vorerwärmung einen anderen Sinn (siehe Abschnitt 2.53).
Unabhängig von diesem Vorgehen kann man jedoch auch eine direkte Nutzung der Inneren Energie 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 Verflüssiger 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 71 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 Aufheizungs – 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" 71, 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 4→k 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" 71 (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" 71 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) (1)statt. Als Vergleichsmaßstab muß daher das mit den Nutzwärme Anteilen 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.
5. Verfahren mit herkömmlicher Vorkompression
Die Pumpe 24 muss zur Verdichtung des Kältemittels 16 im Verdrängungsverflüssiger 5 einen zunächst anwachsenden Druck aufbringen; die Verflüssigung erfolgt hingegen bei dem konstanten Druck p_c. Aus technischen Gründen (Pumpenkennlinie, Größe des Druckbehälters 55 u.a.) sollte man bestrebt sein, den erforderlichen Druckbereich der Pumpe einzuschränken und den Anteil der Pumpenarbeit, der beim Höchstdruck p_c erfolgt, möglichst groß zu machen. Dieses Ziel lässt sich verfolgen, wenn das Kältemittel 16 nicht unmittelbar aus dem Verdampfer 1 in den Verdrängungsverflüssiger 5 gesaugt wird sondern in herkömmlicher Weise durch einen vorgeschalteten Kompressor 9 zunächst vorverdichtet wird (siehe Bild 15 ff). Diese isentrope Vorkompression könnte beispielsweise bis zur Erreichung der Verflüssigungstemperatur Tc erfolgen.
In Bild 15 wurde den beiden Verdrängungsverflüssigern 65 und 5 der Schaltung nach Bild 5 zusätzlich ein Kompressor 9 vorgeschaltet. Kompressor 9 und Pumpe 24 werden durch entsprechende Stellung der Ventile 651 und 51 immer in Serie geschaltet:
Bei der in Bild 15 gezeigten Pumprichtung vom Verdrängungsverflüssiger 65 zum Verdrängungsverflüssiger 5, also von links nach rechts, muss während der Verdichtungsphase neben den Ventilen 621 und 21 auch das Ventil 651 geöffnet sein, während neben den Ventilen 641 und 41 auch das Ventil 51 geschlossen bleibt. Beim Austreiben des Kondensats durch die Drossel 4 wird dann das Ventil 41 geöffnet.
Bei der Umkehr der Strömungsrichtung der Pumpe 24 vertauschen die Ventile 651 und 51 sowie 641 und 41 ihre Funktionen.
In Bild 16 ist zusätzlich zu Bild 15 noch ein Wärmeübertrager (8a und 8b) zwischen der Kondensatleitung 42 und der Zuleitung vom Verdampfer 1 zum Kompressor 9 eingefügt. Durch diesen Wärmeübertrager (8a und 8b) gibt das gespannte Kondensat im Gegenstrom einen Teil seiner Wärme an das gerade verdampfte Kältemittel ab.
In Bild 17 ist eine unsymmetrische Ausführung des Verfahrens beschrieben. Der linke „Verdrängungsverflüssiger" dient hier nur noch als unter dem Verdampfungs- Druck p₀ stehendes Reservoir 65a des Füllmediums 26 und kann daher in diesem Falle auch entsprechend leichter ausgelegt werden . Währenddessen füllt der eigentliche Verdrängungsverflüssiger 5 alleine die volle Funktion der Verdichtung des Kältemittels 16 bis zum Enddruck p_c, der Verflüssigung und des Ausschiebens des flüssigen Kältemittels durch die Entspannungsdrossel 4 aus. Auch in diesem Fall kann über einen Wärmeübertrager (8a und 8b) ein Wärmeaustausch vom gespannten Kältemittel auf das vom vorgeschalteten Kompressor 9 angesaugte Kältemittel erfolgen (Bild 18).
Bei dem unsymmetrischen Verfahren nach Bild 17 (oder Bild 18 ) wird die Pumpe 24 nur in einer Richtung betrieben; dies muss allerdings mit einem zusätzlichen durch das Ventil 91 absperrbaren Bypass 93 erkauft werden. Eine Verfahrens- Periode läuft folgendermaßen ab:
Startzustand: Blase 62 leer, Blase 2 voll, Kondensat ausgeschoben und entspannt, Ventile 41 und 21 zu, Ventil 51 und 91 offen

1.Takt: Umfüllen des Füllmediums 26 von Blase 2 nach Blase 62: Da – bei ausgeschaltetem Kompressor 9 – beide Blasen unter dem gleichen Druck p₀ des Verdampfers 1 stehen, kann das Umfüllen nahezu drucklos erfolgen: entweder durch den dann nahezu im Leerlauf laufenden Kompressor 9, oder durch eine zusätzliche Transportpumpe im Zweige 93 (in Bild 17 und Bild 18 nicht eingezeichnet) oder auch durch die Wirkung der Schwerkraft, falls die Blase 2 oberhalb der Blase 62 räumlich angeordnet ist. Am Ende des 1.Taktes ist die Blase 2 geleert und die Blase 62 voll. Der Teilraum 3 des Verdrängungsverflüssigers 5 ist mit dem unter dem Druck p₀ stehenden Kältemittel angefüllt
2. Takt: Vorverdichtung: Ventil 91 wird geschlossen. Der Kompressor 9 saugt das Kältemittel 16 aus dem Verdampfer 1 und drückt es solange in den Verdrängungsverflüssiger 5 bis dort der Enddruck p_2x des Kompressors 9 erreicht wird
3.Takt: Hauptverdichtung:. Nun wird Ventil 51 geschlossen und Ventil 21 geöffnet. Die Pumpe 24 drückt das Füllmedium 26 , das unter dem Druck p₀ des Verdampfers steht von der Blase 62 in die Blase 2. Die Pumpe 24 muss mit dem Überdruck (p_2x– p₀) starten und erreicht mit zunehmender Verdichtung den Verflüssigungsüberdruck (p_c – p₀)
4. Takt: Verflüssigung: Nun füllt die Pumpe 24 die Blase 2 weiter gegen den konstanten Verflüssigungsüberdruck (p_c– p₀) bis das Kältemittel 16 vollständig verflüssigt ist.
5. Takt: Ausschieben und Entspannen: Das Hochdruck Ventil 41 wird geöffnet und die Pumpe 24 schiebt mittels der Blase 2 das Kältemittel 16 als Kondensat über die Entspannungsdrossel 4 wieder zurück in den Verdampfer 1. Danach werden die Ventile 41 und 21 wieder geschlossen und die Ventile 51 und 91 wieder geöffnet. Der Startzustand ist am Ende diese Taktes wieder erreicht.

6. Vollständige Verdichtung im Nassdampfgebiet
Der Verdrängungsverflüssiger 5 kann natürlich nicht nur bei der Verflüssigung des Kältemittels 16 im Zweiphasengebiet betrieben werden. Zur weitergehenden Carnotisierung des thermodynamischen Kreisprozesses bietet es sich daher an, die Verdichtung vollständig im Zweiphasengebiet durchzuführen. Zur optimalen Ausnutzung der Kondensationswärme des Kältemittels 16 sollte die Verdichtung möglichst auf einer Isentropen erfolgen, die bei der ausgelegten Verflüssigungstemperatur T_c den Taupunkt 2s erreicht (die Bezeichnungen 2s und 2' sind identisch, siehe Anhang A1) . Im Bild 19 schneidet diese Isentrope durch den Taupunkt 2s die Verdampfungslinie im Zustandspunkt 5. Mit dem Verdrängungsverflüssiger 5 lässt sich also der dem idealen Carnotprozess schon ziemlich nahe kommende Kreisprozess 52s34k verwirklichen, sofern es gelingt die Verdichtung 5→2s isentrop durchzuführen.
7. Adiabatische Kühlung während der Verdichtung
Im Zweiphasengebiet muss wegen der möglichen Phasenänderungen im Kältemittel 16 mit einer erhöhten thermischen Wärmeübertragung zwischen Kältemittel und den Umgebungsflächen gerechnet werden. Dies erschwert eine isentrope Prozessführung.
Ein Ausweg besteht darin, dass man das Kältemittel 16 zunächst im überhitzten Bereich isentrop vorkomprimiert, dann durch Eindüsen eine Anteiles n_x des gespannten Kondensates (Druck p_c , Temperatur T_c) adiabatisch und isochor bis in das Nassdampfgebiet hinein abkühlt, und dann die abschließende Verdichtung auf der durch den Taupunkt 2s gehenden isentropen (5-2s) durchführt. Die Vorverdichtung kann hierbei auch teilweise oder vollständig mittels eines gesonderten Vor- Kompressor 9 (siehe Abschnitt 5) erfolgen.
Im Bild 19 ist dieses Verfahren im In(p) – h Diagramm dargestellt: Die Vorverdichtung im überhitzten Zustandsbereich läuft hierbei auf der Isentropen durch den Taupunkt 1 der Verdampfungslinie bis zu einem Zustandspunkt 2x mit einer Temperatur T_2x, für die man beispielsweise die Verflüssigungstemperatur T_c wählen kann. Zum Zustandspunkt 2x gehört das Volumen Vaktuell = n0x·V2x, (2)wobei der Faktor n0x = 1 – nx (3)sich daraus ergibt, dass – wegen der Abspaltung des Mengenanteiles n_x des Kältemittels 16 – für den Prozess im Überhitzungsbereich nur mehr der Anteil n_0x des zu kondensierenden Kältemittels 16 zur Verfügung steht. In dieses Volumen V_aktuell wird nun aus dem sich im Zustände 3 befindlichen Kondensat der Anteil n_x eingespritzt. Der Vermischungsvorgang erfolgt isochor und bei geeigneter Eindüsung vermutlich auch weitgehend adiabatisch. Bei geeignet bemessener Einspritzmenge n_x stellt sich ein neues Gleichgewicht im Zustandspunkt 5x auf der durch den Taupunkt 2s gehenden Isentropen (5 – 2s) ein.
Dieser Punkt 5x ist gegeben durch die Bedingungen: V5x = n0x·V2x (4)und S5x = S2s (5)
Weiterhin ergibt sich nach dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik wg. des adiabatisch isochoren Einspritz- Prozesses eine Konstanz der Inneren Energie U, also U5x = U(V5x, S5x) = nx·U3 + (1 – nx)·U2x (6)
Durch die 3 Gleichungen (4)–(6) lassen sich die den Zustand 5x vollständig kennzeichnenden thermodynamischen Zustandsvariablen Volumen V_5x und Entropie S_5x sowie die erforderlich Kondensatmenge n_x eindeutig bestimmen.
Soll der Wärmeaustausch mit den Umgebungsflächen so weitgehend wie möglich unterbunden werden, so wird dies erleichtert, wenn

(1) das Kältemittel sich vor der Verflüssigung möglichst lange im thermisch schlecht leitenden , also überhitzten Zustandsbereich befindet
(2) die Temperatur des Kältemittels während der isentropen Verdichtung innerhalb des Zweiphasengebietes sich möglichst wenig von der Temperatur der umgebenden Flächen (also z.B. T_c) entfernt.

Um diese Anforderungen technisch umzusetzen, kann der gekoppelte Prozess der Einspritzung von gespanntem Kondensat und anschließender isentroper Verdichtung in mehreren Wiederholungen erfolgen und hierbei das Kältemittel zunächst vollständig innerhalb des überhitzten Zustandsbereiches verbleiben (Bild 20 und Bild 21). Der letzte, auf die Erreichung des zur Verflüssigungstemperatur T_c gehörenden Taupunktes 2s zielende Schritt kann in zwei Alternativen ausgeführt werden:

(1.) das abschließende Eindüsen von gespanntem Kondensat führt au den Zustandspunkt 5x innerhalb des Zweiphasengebietes auf der Isentropen (5 – 2s) durch den Punkt 2s; eine nun folgende abschließende Druckerhöhung führt dann zum Taupunkt 2s (Bild 20). oder
(2.) die letzte Druckerhöhung belässt das Kältemittel im überhitzten Bereich und führt zu einem Zustandspunkt 6x, der oberhalb des ausgelegten Verflüssigungsdruckes p_c und oberhalb der zu p_c gehörigen Verflüssigungstemperatur T_c liegt. Eine nun folgende abschließende adiabatische Abkühlung durch Kondensat Einspritzung (oder eine Wärmeabgabe an das Heizmedium) führt dann zum Taupunkt 2s. (Bild 21).

Erhöht man die Anzahl der in Bild 20 oder Bild 21 dargestellten Wiederholungsschritte der gekoppelten Kondensat Einspritzung und Verdichtung, oder verdichtet man unter gleichsam kontinuierlicher (aber wohl dosierter) Eindüsung von gespanntem Kondensat, so kann man einen Prozessverlauf erreichen, der sich weitgehend an die Isotherme (2→2s) anschmiegt (Bild 22). Im Grenzfall erhält man also eine isotherme Verdichtung, bei der das Problem des im überhitzten Bereich schlechten Wärmeüberganges vom Kältemittel auf die Wand dadurch umgangen wird, dass diese externe Wärmeübertragung durch einen internen Wärmeübergang auf das eingedüste Kondensat ergänzt oder umgangen wird.
Der externe Wärmeübergang bei der in 2s einsetzenden Verflüssigung des Kältemittels ist hingegen unproblematisch, da im Zweiphasen Bereich eine wesentlich höhere Wärmeübertragungsrate möglich ist.
Anhang
A1: Bezeichnung der Referenz Punkte in den themodynamischen Diagrammen
Die Referenz Punkte In den thermodynamischen Diagrammen werden einheitlich und systematisch bezeichnet. Generell beginnt die Bezeichnung eines Zustandspunktes mit einer Ziffer, der optional ein oder auch mehrere Buchstaben oder Spezialzeichen folgen können.
Die vier Eckpunkte des zwischen Verdampfungs- und Verflüssigungs-Temperatur ablaufenden Carnot Prozesses mit vollständiger Verdampfung werden ohne weitere Zusätze mit den Ziffern 1-4 gekennzeichnet, wobei wie üblich als Startpunkt 1 der Zustand nach der vollständigen Verdampfung des Kältemittels gewählt wurde. Zusätzliche Prozesspunkte, die auf der Phasengrenze liegen, werden mit einem Apostroph (') oder dem Zusatz „s" markiert (s.. = „Strich").
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.
Für einige herausragende Zustandspunkte im Zweiphasengebiet gilt folgende Konvention: mit „5" wird der Startpunkt derjenigen isentropen Kompression bezeichnet, die den Zustandspunkt 2s, also den Taupunkt bei der oberen Temperatur T_c des Carnot- Prozesses, genau trifft. Zustandspunkte auf der Isentropen von „5" nach „2s" werden durch "5+Zusatzbuchstabe" bezeichnet.
Auch weitere Iso-linien oder besondere Prozessabläufe können durch eine eigene Ziffer charakterisiert werden.
A2: Bemerkung 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 Verflüssiger 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 in dieser Schrift in der Regel vom Fall der Wärmepumpe ausgegangen. Eine Übertragung auf die Anwendung als Kältemaschine ergibt sich jeweils durch die oben dargelegte Anderung des Verfahrenszweckes.
Schrifttum

1. Recknagel-Sprenger Schramek: „Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik", Abschnitt 5.2 „Kältetechnik – Theoretische Grundlagen", 70. Auflage (2001), Oldenbourg Verlag, München, ISBN 3-486-26214-9
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.
7. Klopp, Rainer :„Hermetisch dichte Thermodynamische Verdrängerpumpe und Arbeitsverfahren" , (1996), DE 196 45 500 A1
8. Schürig, M. und Krause, D.: „Dreidimensional wirkende Blasen- Membranpumpe",(1997), DE 197 35 847 A1
9. Kuntschar, Walter : „Membrankompressor" (1983), DE 3335 105 A1

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 4a: Membran- Ausdehnungsgefäß als Verdrängungsverflüssiger 5a . Die Membran 25a teilt den Behälter 55a in ein erstes Teilvolumen 3a zur Aufnahme des Kältemittels 16 und in ein zweites Teilvolumen 2a zur Aufnahme des Füllmediums 26.
Bild 5: Schaltbild der Wärmepumpe mit Verdrängungsverflüssiger (schematisch)
Bild 6: Verdrängungs- Wärmepumpe: als Reservoir für das Füllmedium dient ein zweiter Verdrängungsverflüssiger 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 "Aufheizungsmediums" 71 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 71.
Bild 13 : T – s Diagramm: Wärmepumpenprozesse mit Aufheizung (Schritte 3→4a→4') eines zweiten Mediums, des Aufheizungsmediums 71.
Bild 14: T – s Diagramm für den Vergleichsprozess des erfindungsgemäßen WP- Prozess mit Aufheizung eines zweiten Mediums, des Aufheizungsmediums 71.
Bild 15: Verdrängungs- Wärmepumpe mit Vor- Kompressor 9: als Reservoir für das Füllmedium dient ein zweiter Verdrängungsverflüssiger 65
Bild 16: Verdrängungs- Wärmepumpe mit Vor- Kompressor 9 und zusätzlicher Überhitzung des kalten Kältemitteldampfes durch Wärmeübertragung (Wüt 8) vom gespannten flüssigem Kältemittel .
Bild 17: Verdrängungs- Wärmepumpe mit Vorkompressor: Vorkompressor 9 und Pumpe 24 werden abwechselnd betrieben
Bild 18: Verdrängungs- Wärmepumpe mit Vor- Kompressor 9 und zusätzlicher Überhitzung des kalten Kältemitteldampfes durch das gespannte flüssige Kältemittel.
Bild 19: Wärmepumpen Prozesse mit vollständiger bzw. teilweiser Kompression im Zweiphasengebiet:

1. Verfahren 52s34k mit vollständiger Kompression 5→2s im Zweiphasengebiet
2. Verfahren 12x5x2s34k mit Vorkompression 1→2x im Überhitzungsbereich und adiabatisch isochore Zwischenabkühlung 2x→5x durch Einspritzen 3→5x eines Anteiles nx des gespannten Kondensates und Endkompression 5x→2s im Zweiphasengebiet

Bild 20: Mehrfache Wiederholung eines aus adiabatischer Einspritzung von gespanntem Kondensat und anschließender isentroper Verdichtung bestehenden Koppelschrittes. Nur die abschließende Verdichtung 5x→2s verläuft im Zweiphasengebiet (auf der Isentrope 5→2s).
(Vereinfachte Darstellung ohne Berücksichtigung der unterschiedlichen Menge des Arbeitsstoffes in den einzelnen Verfahrensschritten)
Bild 21: Mehrfache Wiederholung eines aus adiabatischer Einspritzung von gespanntem Kondensat und anschließender isentroper Verdichtung bestehenden Koppelschrittes. Die gesamte Verdichtung verläuft im überhitzten Bereich, wobei vor der abschließenden Abkühlung ein Zustandspunkt 6x erreicht wird, dessen Druck und Temperatur etwas oberhalb der für die Verflüssigung ausgelegten Werte pc und Tc liegt.
(Vereinfachte Darstellung ohne Berücksichtigung der unterschiedlichen Menge des Arbeitsstoffes in den einzelnen Verfahrensschritten)
Bild 22: Nahezu isotherme Verdichtung im Verdrängungsverflüssiger durch Kopplung von wohl dosierter kontinuierlicher Einspritzung von gespanntem Kondensat und isentroper Verdichtung (Isotherme 2→2s).
(Vereinfachte Darstellung ohne Berücksichtigung der unterschiedlichen Menge des Arbeitsstoffes in den einzelnen Verfahrensschritten)

Claims

Verfahren zur Bereitstellung von Kälte oder Wärme mittels eines mechanisch angetriebenen thermodynamischen Kälte- oder Wärmepumpen Prozesses mit einem Verdampfer (1), einem Verdichter, einem Verflüssiger und einem Expansionsventil zum Verdichten und Verflüssigen eines Kältemittels dadurch gekennzeichnet, dass anstelle des Verdichters und des Verflüssigers ein Verdrängungsverflüssiger (5) verwendet wird, in dem die Verdichtung und die Verflüssigung des Kältemittels (16) vollständig oder teilweise durch die über ein Füllmedium (26) hydraulisch oder pneumatisch bewirkte oder durch die mechanisch bewirkte Volumen Ausdehnung einer Blase (2) oder eines durch eine Membran (25a) abgetrennten Teilvolumens (2a) erfolgt, die bzw. das sich innerhalb eines ansonsten mit einem Kältemittel (16) gefüllten Behälters (55) bzw. (55a) befindet.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtung des Kältemittels (16) so gesteuert wird, dass, nachdem das Kältemittel (16) im Überhitzungsbereich die als Verflüssigungstemperatur T_c festgelegte Temperatur erreicht hat, die weitere Verdichtung unter Wärmeabgabe an eine Kühlflüssigkeit, die identisch mit dem Füllmedium (26) sein kann, möglichst isotherm erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Verdichtung im Verdängungsverflüssiger (5) im Nassdampfgebiet und möglichst auf einer vollständig im Nassdampfgebiet liegenden Isentropen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel (16), -ausgehend von einem durch Vorkompression und/oder Erwärmung erreichten Zustand im Überhitzungsbereich-, im Verdrängungsverflüssiger (5) durch Einspritzen von gespanntem Kondensat angenähert adiabatisch isochor bis in den Nassdampfbereich abgekühlt wird, wo dann die Verdichtung möglichst isentrop bis zur Erreichung der Verflüssigungsbedingung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel (16), -ausgehend von einem durch Vorkompression und/oder Erwärmung erreichten Zustand im Überhitzungsbereich -, im Verdrängungsverflüssiger (5) in einem oder mehreren Prozessschritten oder auch kontinuierlich durch Einspritzen von gespanntem Kondensat und anschließender möglichst isentroper Verdichtung innerhalb des überhitzten Bereiches weiter verdichtet wird , und dass in einem letzten Schritt die Einspritzung von gespanntem Kondensat das Kältemittel (16) in das Nassdampfgebiet führt, wo es dann durch eine abschließende möglichst isentrope Verdichtung die Verflüssigungsbedingung erreicht.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel (16), – ausgehend von einem durch Vorkompression und/oder Erwärmung erreichten Zustand im Überhitzungsbereich –, im Verdrängungsverflüssiger (5) in einem oder mehreren Prozessschritten oder auch kontinuierlich durch Einspritzen von gespanntem Kondensat und anschließender möglichst isentroper Verdichtung innerhalb des überhitzten Bereiches weiter verdichtet wird, und dass in einem letzten Schritt die Einspritzung von gespanntem Kondensat oder eine sonstige Kühlung das Kältemittel (16) die Verflüssigungsbedingung erreichen lässt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass es in zwei phasenversetzt betriebenen Verdrängungsverflüssigern (65 und 5) stattfindet und zwar derart, dass das Füllmedium (26) zwischen den beiden Verdrängungsverflüssigern (65 und 5) hin und her gepumpt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel (16) nach Austritt aus dem Verdampfer (1) isobar durch Wärmetausch in einem Wärmeübertrager (8a und 8b) mit dem aus dem Verflüssiger austretenden Kältemittel (16) vorgewärmt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass in einem Wärmeübertrager (8) das aus dem Verflüssiger austretende Kältemittel (16) zur Aufheizung eines Mediums (71) wie z.B. Frischluft oder Frischwasser verwendet wird.
Vorrichtung zur Verdichtung und Verflüssigung eines Kältemittels (16) im Rahmen eines mechanisch angetriebenen Kälte- oder Wärmepumpen- Prozesses dadurch gekennzeichnet, dass sie als Verdrängungsverflüssiger besteht aus einem starren druckfesten Behälter (55), z.B. einem Zylinder, für das Kältemittel (16) und aus einer in diesen Behälter (55) eingeführten Blase (2), deren Innenraum gegen das Kältemittel (16) hermetisch abgedichtet ist, und deren Volumen durch Zufuhr oder Abfuhr eines Füllmediums (26) veränderlich ist, und aus einer Kühlvorrichtung, die am Behälter (55) angebracht ist, oder sich wie bei einem Heizkörper durch Wärmeübertrag von der Behälterwand an die Umgebungsluft ergibt, und/oder durch den Wärmeübertrag vom sich verdichtenden oder sich verflüssigenden Kältemittel durch die Blasenwand auf das gleichzeitig als Wärmeträger dienende Füllmedium (26) der Blase 2 gegeben ist.
Vorrichtung zur Verdichtung und Verflüssigung eines Kältemittels (16) im Rahmen eines mechanisch angetriebenen Kälte- oder Wärmepumpen- Prozesses dadurch gekennzeichnet, dass sie als Verdrängungsverflüssiger besteht aus einem starren druckfesten Behälter (55a) und aus einer in diesen Behälter eingeführten beweglichen Membran (25a), welche den Behälter (55a) in einen für die Aufnahme des Kältemittels (16) vorgesehenen ersten Teilraum (3a) und einen hiervon hermetisch abgedichteten zweiten Teilraum (2a), welcher ein Füllmedium (26) aufnehmen kann , unterteilt, wobei das Volumenverhältnis dieser beiden zueinander komplementären Teilräume durch Zufuhr oder Abfuhr des Füllmediums (26) veränderbar ist, und aus einer Kühlvorrichtung, die am Behälter angebracht wird, oder sich aus einer Heizkörperfunktion des Behälters ergibt, und/oder durch den Wärmeübertrag vom sich verdichtenden oder sich verflüssigenden Kältemittel (16) durch die Membran (25a) auf das gleichzeitig als Wärmeträger dienende Füllmedium (26) des zweiten Teilraumes (2a) ergibt.