DE19533755A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Wärme und Kälte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe und eine Kältemaschine, bestehend aus Verdampfer, verflüssiger, Verdichtergruppe, Drosselorgan und ggf. Hilfsgeräte, welche durch Verdampfung und Verflüssigung eines Arbeitsstoffes, Wärme oder Kälte er­ zeugt, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Während eine Wärmepumpe über den Verdampfer Wärmeenergie be­ liebigen Ursprungs, insbesondere in der Umgebung vorhandene Wärmequellen und Abwärme aufnimmt, durch den Verdichter auf ein höheres Temperaturniveau anhebt und im Verflüssiger die Nutzenergie an den Verbraucher abgibt, ist dieser Prozeß bei der Kältemaschine soweit geringfügig geändert, als der Ver­ flüssiger Wärmeenergie an die Umgebung abführt und der Ver­ dampfer zum Zwecke der Kühlung dem Kühlmedium Wärmeenergie entzieht. Die Arbeitsweise der Wärmepumpe und Kältemaschine der eingangs genannten Art gleichen sich somit im Prinzip durch die gemeinsame Benutzung des linksläufigen Carnot-Pro­ zesses, bzw. artverwandten Kreisprozessen, wie z. B. den Lo­ renz-Prozeß. Auch die Möglichkeit der Umschaltung von Wärme auf Kühlbetrieb und umgekehrt ist gegeben.

Der Zweck derartiger Anlagen ist die wirtschaftlichere Erzeu­ gung von Wärme oder Kälte, als dies in direkter Weise möglich ist. So liefert z. B. eine elektrisch angetriebene Wärmepumpe ca. 2 bis 4 mal so viel Wärmeenergie als eine elektrische Wi­ derstandsheizung. Sie dienen der Reduzierung des Verbrauchs von begrenzt vorhandener Primärenergie.

Bei bekannten Ausführungen von Wärmepumpen/Kältemaschinen der oben genannten Art, ist ein wichtiges Kriterium zur Beurtei­ lung der Wirtschaftlichkeit, das als Leistungszahl ε defi­ nierte Verhältnis von erzielbarer Heiz.- bzw. Kälteleistung zum benötigten Energieaufwand. - Die Leistungszahl εE (DIN 5485 u. DIN 8900) beträgt bei herkömmlichen Geräten durchschnitt­ lich 2 bis 5, bei mit nur relativ geringen Temperaturdifferen­ zen arbeitenden Wärmepumpsystemen in Brüden- und Destillierge­ räten bis 30.
(Handbuch der Kältetechnik, R.Plank, Springer-Verlag 1969 Bd.6 Teil A, 5.467544).

Durch bekannte Verbesserungen wie Abwärmenutzung des Antriebs­ aggregates, variable Verdichterdrehzahlregelung, Minimierung der Strömungsdruckverluste u. a., konnte die Leistungszahl ε leicht erhöht werden. Auch die Maßnahme, die isenthalpe Dros­ selung im relativ einfachen Drosselventil oder Kapillare, durch eine Entspannungsmaschine, z. B. eine Turbine mit isen­ troper Entspannung zu ersetzen, welche die damit gewonnene Ar­ beit dem Verdichter wieder zuführt, erbringt nur eine minimale Verbesserung und rechtfertigt, von sehr großen Anlagen abgese­ hen, in der Regel nicht den Aufwand (DE-OS 41 40 778).

Nachteilig bei bisherigen Anlagen ist der Verlauf der Effekti­ vität, welche in hohem Maße abhängig ist von der angestrebten Temperaturdifferenz zwischen Umgebungstemperatur und der Nutz­ temperatur. Sie zeigt bei der Wärmepumpe/Kältemaschine eine zum Wärme- bzw. Kältebedarf gegenläufige Charakteristik. Je größer die erforderliche Temperaturspreizung zwischen Ein­ gangs- und Nutztemperatur, desto kleiner wird die Leistungs­ zahl ε. Eine Wärmepumpe herkömmlicher Bauart wird daher bei einer Temperaturdifferenz von mehr als 50 K unwirtschaftlich. Bei Außentemperaturen von unter 0°C muß daher eine Zusatzhei­ zung oder eine zweistufige Anlage installiert werden, was hö­ here Investitions- und Betriebskosten verursacht. Auch bei Warmwasserzubereitung können zusätzliche Investitionen für einen bivalenten- oder 2-stufigen Betrieb nötig werden, weil die Abtötung von möglichen Bakterien, wie Legionellen, eine Mindesttemperatur von ca. 70-80°C erfordert. Das gleiche gilt bei benötigten hohen Heizungsvorlauftemperaturen. Nachteilig ist ferner, zur Erzielung von möglichst hohen Lei­ stungszahlen, der Einsatz von zwar thermodynamisch günstigen, jedoch die Umwelt belastenden Arbeitsstoffen, wie FCKW, HFCKW, FKW und Ammoniak. Einen weiterer Nachteil bildet die bei vielen Arbeitsstoffen auftretende sehr hohe Verdichtungsend­ temperatur bei der Komprimierung des Arbeitsdampfes.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich­ tung und ein Verfahren zur Erzeugung von Wärme bzw. Kälte auf der Basis einer Wärmepumpe bzw. Kältemaschine zu verwirklichen, mit wesentlich verbesserter Wirtschaftlichkeit, wobei insbe­ sondere die für die Verdichtergruppe benötigte, von außen zu­ geführte Energie reduziert ist. Weiterhin soll der wirtschaft­ liche Arbeitstemperaturbereich erweitert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 und des Pa­ tentanspruches 13 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes gehen aus den Merkmalen der Unteransprüche und der Beschreibung her­ vor.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen in erster Linie darin, den Verbrauch an hochwertiger kinetischen Energie zum Betrieb der Wärmepumpe/Kältemaschine zu reduzieren, um Primärenergie einzusparen. Durch eine, verglichen zu herkömm­ lichen Geräten dieser Art wesentlich höheren Leistungszahl ε, kann die erfindungsgemäße Maschine auch bei größeren Tempera­ turdifferenzen noch wirtschaftlich arbeiten, so daß ein mono­ valenter, ökonomischer Betrieb möglich ist. Aufgrund der ver­ besserten Leistungszahl ε ist auch bei 2-stufiger Anordnung, zur Erreichung einer großen Temperaturspreizung, ein wirt­ schaftlicher Betrieb möglich.

Weitere Vorteile sind der geringere apparative Aufwand und die Möglichkeit auch andere billigere und unschädliche Arbeitsmit­ tel, als die oben genannten, wie Wasser, Alkohole und vorzugs­ weise für tiefere Temperaturbereiche Kohlendioxyd einzusetzen. Das Überhitzungsproblem beim Verdichtungsvorgang, welches vor allem bei größeren Temperaturdifferenzen auftritt, ist mit der Neuerung ebenfalls besser beherrschbar, weil die Arbeitsmit­ telkomprimierung andersartig und mehrstufig erfolgt und sie nicht wie bei herkömmlichen Anlagen ausschließlich im Verdichter (2′) (Fig. 1), vollzogen wird.

Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit der selbsttätigen An­ passung des Kreisprozesses an verändernden, die Verdampfung aufrechterhaltenden Umweltwärmeenergietemperaturen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispie­ len und der weiteren Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 das Grundprinzip einer Wärmepumpe/Kältemaschine,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Wärmepumpe,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Kältemaschine,

Fig. 4 ein Diagramm zur Darstellung der carnotschen Lei­ stungszahl ε, bezogen auf die Verdichtung des vom Verdampfer (1) kommenden Arbeitsmitteldampfes,

Fig. 5 ein Versuchsdiagramm zur Darstellung der Temperatu­ ranhebung des Arbeitsmitteldampfes bei dessen Kom­ primierung, am Beispiel von R22 (Difluorchlormethan) und Propan,

Fig. 6 ein Diagramm zur Darstellung der inneren und äußeren verdampfungswärmen des Verdampfungsvorganges im Ver­ dampfer, am Beispiel von R22 und Propan.

Während bei herkömmlichen Wärmepumpen/Kältemaschinen der ein­ gangs genannten Art (Fig. 1), die Temperaturanhebung des vom Verdampfer (1′) erzeugten Arbeitsmitteldampfes (nachfolgend als Quelldampf bezeichnet), auf das Temperaturniveau bei der Verflüssigung im Verflüssiger (3′), ausschließlich durch den Kompressionsvorgang des Quelldampfes im Verdichter (2′) er­ stellt wird, erfolgt sie bei der Neuerung in mehreren Schrit­ ten, teils durch mechanische- und thermische Verdichtung, be­ ziehungsweise allein mittels thermischer Verdichtung. Die andersgeartete Absorptionswärmepumpe und -kältemaschine arbeitet zwar infolge der Ausnutzung des Kältemittel-Dampf­ druckabfalls bei zunehmender Lösungsmittelkonzentration, auch mit einem sog. "thermischen Kompressor", jedoch handelt es sich hierbei um ein ganz anderes System mit Zweistoffprozeß und notwendigem sehr hohen Temperaturniveau für den Austrei­ ber. Auch der Gesamtwirkungsgrad der in der Regel mit Gas be­ triebenen Absorptionsanlagen ist geringer.

Mit Bezug auf Fig. 2 soll nun der Aufbau der erfindungsgemäßen Wärmepumpe erläutert werden. Die Vorrichtung weist einen er­ sten Verdampfer (1) auf, der mit einem nachfolgenden Verdich­ ter (2) verbunden ist. Der Ausgang des Verdichters (2) ist mit einem Eingang eines Druckübersetzers (5) verbunden und ein Ausgang des Druckübersetzers (5) ist mit einem nachgeordneten Verflüssiger (3) verbunden. Der Verflüssiger (3) und der Ver­ dampfer (1) sind über ein Drosselorgan (4) miteinander verbun­ den. Diese Elemente bilden einen ersten Kreislauf für das Ar­ beitsmittel. Ferner ist zwischen einem Ausgang des Drucküber­ setzers (5) und dem Verdichter (2) ein Puffer (11) zum Spei­ chern von Energie, die zum Antrieb des Verdichters (2) ver­ wendet werden kann, geschaltet. Ferner ist ein zweiter Ver­ dampfer (1, 1) und ein zweiter Verflüssiger (6) sowie eine zweite Drossel (4, 1) vorgesehen, wobei der zweite Verflüssiger (6) eingangsseitig mit einem Ausgang des Verdichters (2) und einem Ausgang des Druckübersetzers (5) verbunden ist, und der zweite Verdampfer (1, 1) ausgangsseitig mit einem Eingang des Verdichters (2) verbunden ist. Der zweite Verflüssiger (6) und der zweite Verdampfer (1, 1) sind über eine Drossel (4, 1) mit­ einander verbunden. Diese Elemente bilden zusammen mit dem Verdichter (2) und dem Druckübersetzer (5) einen zweiten Kreislauf für das Arbeitsmittel.

Im folgenden wird nun der Betrieb der Vorrichtung beschrieben.

Im Verdampfer (1) wird das Arbeitsmittel unter Aufnahme von Wärmeenergie verdampft.

Die für den Verdampfungsvorgang des Arbeitsstoffes im Verdamp­ fer (1) benötigte Energie, wird dem Verdampfer (1) in Form von Wärmeenergie beliebigen Ursprungs zugeführt, z. B. Sonnenener­ gie direkt und indirekt, Abwärme jeder Art u. a., vorzugsweise jedoch Umgebungswärmeenergie niedriger Temperatur und Wertig­ keit (Anergie), wobei in diesem Falle die Energieentnahme durch Abkühlung des Mediums unter die Umgebungstemperatur er­ folgt.

Als Arbeitsmittel ist jeder Stoff geeignet, unter der Voraus­ setzung, daß der Arbeitsstoff der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung bei den verschiedenen Zuständen, denen er unterworfen wird, seinen Aggregatzustand vom flüssigen in den dampfförmi­ gen und umgekehrt, zu ändern in der Lage ist.

Es kann je nach Temperatur- und Druckniveau und der Art des eingesetzten Arbeitsstoffes, im Überdruckbereich wie auch im Unterdruckbereich gearbeitet werden. Arbeitsstoffe für den Überdruckbetrieb sind z. B. solche, die in der Kältetechnik eingesetzt werden, wie Ammoniak, Propan, FCKW, HFCKW, FKW, HFKW, CO2 u. a.; für den Unterdruckbereich kommen Stoffe wie Wasser und Alkohole infrage.

Der den Verdampfer (1) vorlassende Quelldampf mit der Tempera­ tur Tl und dem Druck Pl, wird nachfolgend einer Verdichtung unterzogen, um damit das Arbeitsmittel auf das Druck- und Tem­ peraturniveau P2, T2 zu erhöhen. Dabei erfolgt die Komprimie­ rung im Verdichter (2) um einen Betrag, der einerseits eine möglichst hohe Leistungszahl gewährleistet und andererseits die Funktion des Kreisprozesses sicherstellt und ihm eine ak­ zeptable, optimale Ablaufgeschwindigkeit verleiht.

Daher ist die Komprimierung des Quelldampfes wesentlich klei­ ner als bei herkömmlichen Geräten und soweit in Grenzen zu halten, daß sich bei diesem Teilprozeß, welcher einem links­ läufigen Carnotprozeß gleicht, eine möglichst hohe Leistungs­ zahl ergibt. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, zeigt die Leistungs­ zahl ε = T2/(T2-T1) eine, zur Höhe der erzielten Temperatur­ differenz gegenläufige Charakteristik, wobei Tl die aus dem Verdampfer (1) austretende Quelldampftemperatur und T2 die Temperatur des den Verdichter (2) vorlassende dampfförmige Ar­ beitsmittel darstellt.

Somit resultiert aus diesem Teilabschnitt des Kreislaufs, ent­ sprechend der Höhe der Leistungszahl ε, auf dem Temperatur- und Druckniveau T2/P2 ein Vielfaches an Wärmeenergie, als an kinetischer Energie im Verdichter (2) verbraucht wurde. Die Komprimierung des Quelldampfes ist daher erfindungsgemäß zur Erbringung einer hohen Leistungszahl ε, soweit möglich zu be­ grenzen und zu optimieren.

Der hohe Wärmeenergieinhalt des den Verdichter (2) verlassen­ den Arbeitsdampfes steht nun dem Kreisprozeß zur Verfügung, um dieses Energiepotential unter Mitwirkung von weiteren Verfah­ rensschritten, in kinetische- bzw. Wärmeenergie umzusetzen, um es für den Kreislaufbetrieb und zur Energieabgabe nach außen, verfügbar zu haben.

Der Antrieb für den Verdichter (2) kann von beliebiger Art sein, z. B. solche, die bekanntermaßen für Anlagen der eingangs genannten Art Anwendung finden. Der Antrieb für den Verdichter (2) kann sowohl teils oder vollständig von der vom Kreislauf erzeugten Volumenausdehnungsarbeit erfolgen oder auch teils oder vollständig von einem Teil des vom Druckübersetzer (5) komprimierten Arbeitsmitteldampfes. Der Verdichter (2) kann jedoch auch vollständig mit von außen zugeführter Energie an­ getrieben werden. Wegen des relativ geringen Verdichtungsgra­ des können als Verdichter (2) bereits bei kleineren Anlagen, Turbinen und Schraubenverdichter eingesetzt werden. Auch auf Förderdruck optimierte, preiswerte Ventilatoren wie z. B. Hoch­ druckventilatoren mit rückwärts gekrümmten Schaufeln dienen zur Erzeugung des nötigen Verdichtungdruckes. Der Antrieb des Verdichters (2) kann erfindungsgemäß auch teils oder vollstän­ dig vom, den Druckübersetzer (5) verlassenden komprimierten Arbeitsmittel (T3, P3) erfolgen, indem ein Teil des komprimier­ ten Arbeitsdampfes zum Antrieb des Verdichters (2) abgezweigt und zum Verdichterantriebsaggregat zurückgeführt wird. Des weiteren kann der Antrieb für den Verdichter (2), teils oder vollständig, auch von der Volumenausdehnungsarbeit des Ver­ dampfungsprozesses geleistet werden. In dem zwischen dem Aus­ gang des Druckübersetzers (5) und dem Verdichter (2) angeord­ neten Puffer (11) kann kinetische Energie deponiert sein, wel­ che zum Start des Verdichters (2) und der Anlaufphase des Kreislaufs dient. Die Deponierung von Energie im Puffer (11) kann durch einen Behälter geschehen, in dem verdichtetes Ar­ beitsmittel lagert, welches vorher vom Druckübersetzer (5) komprimiert wurde.

Der Arbeitsmitteldampf gelangt nun vom Verdichter (2) teil­ weise zum Druckübersetzer (5) und teils wird er einer nochma­ ligen Verdampfung zum Zwecke der Erzeugung von zusätzlicher Volumenausdehnungsarbeit unterzogen.

Aufgabe des Druckübersetzer (5) ist es, den Arbeitsstoff auf das höhere Temperatur- und Druckniveau T3/P3 zu übersetzen. Bei der Wärmepumpe wird damit die angestrebte Temperaturanhe­ bung auf das Niveau für die Abgabe an den Verbraucher, z. B. Warmwasser, Heizung, erzeugt; bei der Kältemaschine erfolgt die Temperaturanhebung im Druckübersetzer (5) zum Zwecke der Wärmeenergieabgabe im nachgeordneten Verflüssiger (3) an die Umgebung.

Der Druckübersetzer (5) kann in Anlehnung an bekannten Druck­ übersetzungssystemen in der Hydraulik und Pneumatik ausgeführt werden, wie z. B. Kolbenkonstruktionen (Arbeitsweise im Prinzip mit in einem Zylinder beweglichen Kolben mit zwei verschieden großen Kolbenflächen), sowie Flügelzellen-, Zahnrad-, Schrau­ ben-, Kreiskolben-, Drehkolbenbauarten u. a. in Zweidruckstu­ fenbauweise, gegebenenfalls in Doppel- bzw. Tandemanordnung. Der Druckübersetzer (5) kann auch beispielsweise aus einem Kolbenverdichter und einer Kolbenentspannungsmaschine beste­ hen, die mechanisch miteinander verbunden sind.

Der den Verdichter (2) verlassende Anteil des Arbeitsmit­ teldampfes, welcher einem erneuten Verdampfungsprozeß unter­ worfen wird, gelangt zum Verdampfer (1) bzw. (1,1) und leistet dort, als Folge der Abgabe seines hohen Energieinhaltes, zu­ sätzliche Volumenausdehnungsarbeit.

Vorteilhaft werden Verdampfer (1) und (1,1) in einer Vorrich­ tung zusammengefaßt.

Desgleichen wird die für die Funktion des Kreisprozesses not­ wendige Rückführung von Arbeitsmitteldampf, welche an mehreren Stellen des Kreislaufs anfallen kann, z. B. Rückbewegung des Kolbens beim Druckübersetzer (5) und ggf. im Verdichteran­ trieb, verwirklicht, indem er in den Bereich des niedrigeren Energieniveaus des Kreisprozesses zurückgeführt wird. Diese Arbeitsmittelrückführung wird vorzugsweise über einen Konden­ sator (6) geleitet, wobei die entstehende Kondensationswärme­ energie ins Freie oder in den Verdampfer (1) bzw. (1,1) ge­ langt und bei der Wärmepumpe als Energiebeitrag zum dortigen Verdampfungsprozeß dienen kann. Der verdichtete Arbeitsmit­ teldampf (T3, P3) strömt in den Verflüssiger (3), kondensiert in bekannter Weise und gibt seine Wärmeenergie bei der Wärme­ pumpe an den Verbraucher- und bei der Kältemaschine an die Um­ gebung ab.

Im Drosselorgan (4), welches als Kapillare, Expansionsventil, Entspannungsmaschine o. ä., ausgeführt sein kann, wird die vom Verflüssiger (3) kommende Arbeitsflüssigkeit vom Druck (P3) auf Druck (P1) entspannt und gelangt dann zum Eingang in den Verdampfer (1) (1, 1) zu einem neuen Zyklus.

Der Teilkreislauf - Verdampfer (1)/(1, 1) - Verdichter (2) - Kondensator (6) - Drossel (4, 1) - Verdampfer (1, 1) kann alter­ nativ auch so ausgelegt werden, daß der vom Verdichter (2) zum Kondensator (6) strömende Teilstrom gegen Null gehen kann. Der Kondensator (6) verflüssigt dann nur noch den vom Drucküber­ setzer (5) kommenden Arbeitsstoff aus der Kolbenrückstellbewe­ gung. Im Normalbetrieb entfällt dann die Rückführung dieses Teilstromes des Arbeitsmittels vom Verdichter (2) zum Konden­ sator (6). Durch den Verzicht auf diese Rückführung ergibt sich konstruktiv und regelungstechnisch eine Vereinfachung, vor allem bei kleineren Anlagen. Insbesondere dann ist der Verzicht auf die Rückführung möglich, wenn sich die Tempera­ tursenkung beim Verdampfungsprozeß durch ein sehr großes und stabiles Wärmereservoir in Grenzen hält. Dies ist im allgemei­ nen bei Umgebungswärme gegeben.

Die energetische Bilanz des erfindungsgemäßen Gegenstandes wird wie folgt erläutert:
Die Volumensvergrößerung im Verdampfer (1) als Folge der Ände­ rung des Arbeitsstoffes vom flüssigen in den dampfförmigen Zu­ stand entspricht der Volumenausdehnungsarbeit. Entsprechend den spezifischen Voluminas des flüssigen- und dampfförmigen Aggregatzustandes, ergeben sich z. B. bei den Arbeitsstoffen Propan (bei 0°C) ein ca. 52-faches-, bei Ammoniak (-5°C) ein ca. 225-faches- und bei Wasser (100°C) ein ca. 1600-faches Vo­ lumen.

Die relativ geringfügige Temperatur- bzw. Druckanhebung des aus dem Verdampfer (1) austretenden Quelldampfes im Verdichter (2), erfordert, verglichen zu dessen verdampfungswärmepoten­ tial, nur einen kleinen kinetischen Energiebetrag. Für diesen Teilprozeß, einen gegen den Uhrzeigersinn ablaufenden Carnot­ prozeß, beträgt die Leistungszahl, wie aus Fig. 4 zu entnehmen ist ε = T2/(T2-T1), wobei T1 die aus dem Verdampfer austre­ tende Quelltemperatur und T2 das den Verdichter (2) verlas­ sende dampfförmige Arbeitsmittel darstellt.

Beträgt die für die Sicherstellung des Kreisprozesses im Nor­ malfall ausreichende Temperaturerhöhung z. B. fünf K, so resul­ tiert daraus eine Leistungszahl ε = 278/(278-273) = 55,6 (bezogen auf Quelldampftemperatur von 0°C ) (Fig. 4). Damit wird dem Kreislauf ein ca. 55-faches Wärmeenergiepotential zur Verfügung gestellt, als für die Komprimierung des Quelldampfes im Verdichter (2) an kinetischer Energie verbraucht wurde. (Leistungszahlen annähernd dieser Größenordnung sind in der Wärmepumpentechnologie bekannt, wenn nur sehr geringe Tempera­ turunterschiede benötigt werden, z. B. bei bestimmten Destilla­ tionsverfahren).

Entsprechende Versuche haben überraschenderweise gezeigt, daß die praktische Leistungszahl E dieses Teilprozesses, bei adia­ batischer Verdichtung, wegen der Überhitzung sogar noch etwas höher liegt.

Die dazugehörige Quelldampfdruckerhöhung von ca. 0,8 bar (Propan) liefert eine Temperaturerhöhung von ca. 9K (Fig. 5 obere Kurve (= Überhitzungstemperatur) und bezogen auf die Sättigungstemperatur ca. 5K (Fig. 5 untere Kurve). Wegen des geringen Energieanteils der Überhitzungsspitze muß daher bei der energetischen Bewertung auf die Sättigungstemperatur bezo­ gen werden.

Beim Verdampfungsvorgang im Verdampfer, welcher sich zusammen­ setzt aus der inneren Verdampfungswärme, die zur Überwindung der molekularen Anziehungskräfte dient und der äußeren Ver­ dampfungswärme, welche die bei der Volumensvergrößerung gelei­ stete Arbeit verrichtet, bildet das äußere Verdampfungswärme­ potential die Volumenausdehnungsarbeit.

Am Beispiel der Arbeitsstoffe Propan und R22 sind in Fig. 6 die Verdampfungswärmen dargestellt. Die oberen beiden Kurven zei­ gen jeweils die Gesamtverdampfungswärmen und die unteren Kur­ ven stellen jeweils die äußeren Verdampfungswärmen dar, welche ca. 10% bis ca. 13% der Gesamtverdampfungswärmen betragen. Die zu leistende Volumenausdehnungsarbeit beträgt somit für den Arbeitsstoff Propan (bei Temperatur 278 K): Druck mal Dif­ ferenz aus spezifischem Volumen des Dampfes und der Flüssig­ keit : 556100 N/m2 × (0,085 m3 - 0,0019 m3) = 45990 Nm/kg. Das entspricht 45,99 kJ pro kg und ergibt ca. 12,5% der Ver­ dampfungswärme von 371,4 kJ/kg (Fig. 6).

Etwa der gleiche volumenarbeitsbetrag ist bei der Kondensation des Arbeitsmittels, also der Volumenverkleinerung vom dampf­ förmigen- in den flüssigen Aggregatzustand, wirksam, um damit vor allem die Rückführung von im Kreislauf anfallendem Rück­ führdampf aus Rückstellbewegungen und dgl. sicherzustellen. Die in Verbindung mit der durch die Quelldampfkomprimierung ermöglichte Nutzung des Wärmeenergiepotentials des den Ver­ dichter (2) verlassenden Arbeitsdampfes, indem dieser je nach Bedarf einer erneuten Verdampfung unterzogen wird, resultiert aus diesem Teilprozeß eine kinetische Energie von 12.5% der Verdampfungswärmeenergie des Arbeitsmitteldampfes. Damit ist gewährleistet, daß dem Kreisprozeß immer genügend Arbeitsmit­ teldampf von geeignetem Temperatur- und Druckniveau zur Verfü­ gung steht.

Aus der Quelldampfverdichtung mit der o.g. hohen Leistungszahl und der Volumenausdehnungsarbeit im Verdampfer (1) bzw. (1,1), resultiert ein Energieüberschußfaktor von: Volumenausdehnungs­ arbeit (12,5% der Verdampfungswärme) mal Leistungszahl ε der Quelldampfverdichtung = ca. 0,125 × 55 = 6,8.

Mit diesem, aus Verdampfung - Verdichtung (geringfügige Ver­ dichtung im Verdichter (2)) - Kondensation - Verdampfung be­ stehenden Teilprozesses zur Erzeugung von Volumenausdehnungs­ arbeit wird erfindungsgemäß aus der aufgenommenen Umgebungswär­ meenergie, ein Vielfaches an Energie dem weiteren Kreislauf zur Verfügung gestellt, als für die Verdichtung des Quell­ dampfes erforderlich ist.

Mit sehr geringem Einsatz an mechanischer Energie im Verdich­ ter (2) wird die Voraussetzung geschaffen, daß die für das Hochpumpen des Arbeitsstoffes benötigte mechanische Energie aus dem großen Arbeitsvolumen der äußeren Verdampfungswärme des verdichteten Mediums in Zusammenwirkung mit dem übrigen Kreislauf bereitgestellt werden kann.

Unter Berücksichtigung leistungsmindernder Faktoren, wie z. B.: Reibung, Wärmeverluste, Energiebedarf des Antriebs für Ver­ dichter (2), sofern dieser teils oder gänzlich vom Energiepo­ tential des Kreislaufs betrieben wird, Rückstellbewegungen, u. a., besteht noch ein deutliches Energieüberschußpotential für den Betrieb des Kreislaufs und der Abgabe von Wärmeenergie bei der Wärmepumpe bzw. von Kälte bei der Kältemaschine durch Wärmeenergieentzug des Kühlmediums.

Daraus resultiert eine gegenüber bekannten Wärmepumpen / Käl­ temaschinen beträchtliche Energieeinsparung der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung. Dies trifft auch dann zu, wenn aufgrund ei­ ner sehr hohen Quelldampfverdichtung, die aus diesem Teilpro­ zeß erzielbare Leistungszahl, z. B. auf 10 oder weiter, herab­ gesetzt ist. Gegebenenfalls kann dann die Vorrichtung nicht mehr vom eigenen Kreislauf betrieben werden.

An zwei Ausführungsbeispielen, einer Wärmepumpe und einer Käl­ temaschine, soll die Erfindung weiter erläutert werden. Als Arbeitsmittel für die beiden Anwendungsbeispiele wird R22 ge­ wählt.

Bei der Wärmepumpe (Fig. 2) wird das flüssige Arbeitsmittel R22 im niedrigen Temperaturbereich von z. B. 0°C und dem dazugehöri­ gen Dampfdruck von Pl = 5,0 bar im Verdampfer (1) unter Auf­ nahme von Umgebungswärme beliebiger Art (9), z. B. aus Luft oder Erdreich, etwa isotherm verdampft. Dabei nimmt das Ar­ beitsmittel eine Verdampfungswärmeenergie von 207 kJ/kg auf.

Die äußere Verdampfungswärme und die damit geleistete Volu­ menausdehnungsarbeit dieses Verdampfungsvorganges beträgt: Druck × Differenz aus spezifischem Volumen des Dampfes und der Flüssigkeit = 5,00139 bar × ( 47,1 1/kg - 0,7785 1/kg ) = 23517 Nm/kg = 23,5 kJ/kg (Fig. 6). Somit ergibt die Volumenaus­ dehnungsarbeit ca. 11,4% der aus der Umgebungswärme (9) auf­ genommenen Wärmeenergie von 207 kJ/kg.

Damit resultiert aus diesem Verdampfungsprozeß im Verdampfer (1) bzw. (1,1) eine ca. 47,1 1/kg : 0,7785 1/kg = 60,5 - fache Volumenausdehnung.

Im Verdichter (2) erfolgt etwa isentrop die Verdichtung des Arbeitsdampfes vom Druck Pl = 5,0 bar auf den Druck P2 = 6,0 bar. Dabei erhöht sich die Temperatur des Dampfes um 11 K auf 284 K. Bezogen auf die Sättigungstemperatur bei 6 bar Dampf­ druck beträgt die Temperaturerhöhung 6 K auf 279 K (Fig. 5). Da die der Sättigungstemperatur übersteigende Überhitzungsspitze nur wenig Energieinhalt enthält, wird diese vernachlässigt und auf Sättigungstemperatur bezogen. Aus der Quelldampfverdich­ tung um 1 bar und der entsprechenden Temperaturerhöhung um 6 K, resultiert eine Leistungszahl ε = T2/(T2 - Tl) = 279 / (279 - 273) = ca. 46,5 (Fig. 4), was bedeutet, daß dem Kreisprozeß nun die ca. 46-fache Wärmeenergie zur Verfügung steht, als im Verdichter (2) an kinetischer Energie für die Komprimierung des Arbeitsstoffes verbraucht wurde.

Damit wird durch die relativ begrenzte Quelldampfverdichtung die Voraussetzung geschaffen, das aus der Umgebungswärme ent­ nommene Energiepotential, einer erneuten Verdampfung zu unter­ ziehen, um damit zusätzliche Volumenausdehnungsarbeit für die nachfolgende Druckübersetzung bereitzustellen.

Ein Teil des den Verdichter (2) vorlassenden Arbeitsdampfes wird nach Bedarf zurückgeleitet zum Verdampfer (1) bzw. (1,1), um mit dessen Verdampfungsenthalpie, durch Kondensation einen erneuten Verdampfungsvorgang zum Zwecke der Erstellung von zu­ sätzlicher Volumenausdehnungsarbeit und Arbeitsdampf, aus Um­ gebungswärme und dem rückgeführten Arbeitsdampf, zu ermögli­ chen.

Durch diese Maßnahmen steht dem Kreisprozeß immer genügend Ar­ beitsmitteldampf des Temperatur- und Druckniveaus T2/P2 und Tl/Pl zur Verfügung.

Der verbleibende Teil dieses Arbeitsdampfes wird zum Druck­ übersetzer (5) weitergeleitet.

Im Druckübersetzer (5), z. B. in Kolbenausführung, wird der den Verdichter vorlassende Arbeitsmitteldampf oder wahlweise auch der Quelldampf, vom Druck P2 = 6 bar, bzw. Pl = 5 bar auf den Druck P3 = 18 bar übersetzt. Dabei steigt die Temperatur des Arbeitsdampfes auf ca. 65°C und bezogen auf die dazugehörige Sättigungstemperatur auf ca. 45°C.

Beim Eintritt in den Druckübersetzer (5) wird die größere Kol­ benfläche mit dem Arbeitsdampf beaufschlagt und damit die Kol­ benbewegung zum Zwecke der Verdichtung des Arbeitsdampfes auf der Druckseite (kleinere Kolbenfläche) ausgeführt. Der bei der Rückstellbewegung des Kolbens wirkende Rückführdampf wird über den Verflüssiger (6), in welchem er kondensiert, weitergelei­ tet zum Eingang in den Verdampfern (1) bzw. (1, 1). Die im Ver­ flüssiger (6) entstehende Kondensationswärme wird vorzugsweise in den Verdampfer (1) bzw. (1, 1) geführt, zur Unterstützung des dortigen Verdampfungsvorganges.

Für den Eigenbetrieb benötigt der Druckübersetzer (5), solange genügend Arbeitsmitteldampf des Niveaus T2/P2 bzw. Tl/Pl ver­ fügbar ist, keine Energiezufuhr von außen, lediglich die Rei­ bung und der Rückführdampf bei Rückstellbewegungen muß energe­ tisch berücksichtigt werden.

Wahlweise kann vom Druckübersetzer (5) der Antrieb des Ver­ dichters (2) unterstützt werden, dazu wird ein Teil des ver­ dichteten Arbeitsmittels für den Verdichterantrieb abgezweigt. Im Verflüssiger (3) kondensiert das vom Druckübersetzer (5) kommende Arbeitsmittel und gibt seine Nutzenergie etwa iso­ therm, in Form von 45°C warmen Wassers an den Verbraucher (7) ab.

Das nachfolgende Drosselorgan (4) entspannt das vom Verflüssi­ ger (3) zufließende, flüssige Arbeitsmittel etwa isentrop, auf den Ausgangsdruck von Pl = 5 bar und gelangt in den Verdampfer (1), um erneut den Kreisprozeß zu durchlaufen.

Bei der Kältemaschine fungiert etwa derselbe Kreisprozeß wie bei der Wärmepumpe (Fig. 3).

Das flüssige Arbeitsmittel R22 (Kältemittel) verdampft im Ver­ dampfer (1), dabei wird die bei der Verdampfung aufgenommene Wärmeenergie dem Kühlmedium (8) entzogen, um es abzukühlen. Erfolgt die Kühlung bis -10°C (263 K), so verdampft das Kälte­ mittel etwa isotherm bei einem Verdampfungsdruck von ca. 3,56 bar und nimmt dabei eine Verdampfungswärmeenergie von 214 kJ/kg auf. Die gleiche Energiemenge wird dem Kühlmedium (8) entzogen. Beim Verdampfungsvorgang ergibt sich eine Raumaus­ dehnung um das ca. 65,4 1/kg : 0,758 1/kg = 86 - fache und eine Volumenausdehnungsarbeit von ca. 12% der Verdampfungs­ wärme von 214 kJ/kg (Fig. 6).

Das Kältemittel durchströmt analog dem Wärmepumpenbeispiel den Kreisprozeß, jedoch mit einem etwas niedrigerem Druck und Tem­ peraturniveau.

Der Verdichter (2) komprimiert das Kältemittel etwa isentrop um 1 bar auf 4,56 bar, wobei sich eine Temperaturerhöhung um ca. 10 K und bezogen auf die Sättigungstemperatur eine Tempe­ raturanhebung um ca. 5K ergibt.

Aus dieser Verdichtung resultiert eine Leistungszahl ε von ca. 50. Wie beim vorgenannten Wärmepumpenbeispiel strömt das durch den Verdichter (2) komprimierte Kältemittel zum Drucküberset­ zer (5) und teils über Kondensator (6) zurück zum Verdampfer (1) für einem erneuten Verdampfungsvorgang.

Bei einem Verdichtungsgrad im Druckübersetzer (5) von ca. 2.5 bis 3.0, ergibt sich eine Kondensationstemperatur im Verflüs­ siger (3) von ca. 30°C. Die dabei entstehende Kondensations­ wärmeenergie wird in die Umgebung abgeführt.

Im Drosselorgan (4) erfolgt die Entspannung des flüssigen Käl­ temittels auf den Ausgangsdruck von ca. 3,56 bar und gelangt in den Verdampfer (1) zu einem neuen Zyklus.

Claims (21)

1. Verfahren zur Erzeugung von nutzbarer Wärme bzw. Kälte durch Verwendung einer Wärmepumpe bzw. Kältemaschine mit den Schritten

• a) Verdampfen eines Arbeitsmittels in einem Verdampfer (1; 1, 1),
• b) Verdichten des Arbeitsmittels in einem Verdichter (2),
• c) Verflüssigen des dampfförmigen Arbeitsmittels in einem Verflüssiger (3),
• d) Rückführen des verflüssigten Arbeitsmittels zum erneuten Verdampfen in den Verdampfer (1; 1, 1), dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des im Verdichter (2) verdichteten dampfförmigen Ar­ beitsmittels zum Verdampfer (1; 1,1) zurückgeleitet wird, um im Verdampfer (1; 1, 1) durch Abgabe von Wärmeenergie aus dem zurückgeleiteten Arbeitsmittel an den Verdampfungsprozeß eine zusätzliche Verdampfung zu bewirken und daß der den Verdichter (2) verlassende weitere, nicht zum Verdampfer (1; 1, 1) zurück­ geführte Teilstrom des Arbeitsmittels zu einem Druckübersetzer (5) geleitet wird und dort ein Teil dieses Teilstromes zur Er­ reichung eines höheren Temperaturniveaus verdichtet und der weitere Anteil des Arbeitsmittelteilstroms entspannt und in einem zweiten verflüssiger (6) kondensiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdichtungsverhältnis zur Komprimierung des Quelldampfes im Verdichter (2) vorzugsweise 1 : 1,05 bis 1 : 2,0 und noch bevorzugter 1 : 1,1 bis 1 : 1,5 beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Komprimierung des dampfförmigen Arbeitsmittels im Ver­ dichter (2) soweit begrenzt ist, daß aus diesem Teilvorgang eine Leistungszahl ε resultiert, welche größer als 10 ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zumindest ein Teil des Arbeitsmitteldampfes, welches im Druckübersetzer (5) zur beabsichtigten Tempera­ turerhöhung verdichtet wird, dem Verdampfer (1; 1, 1) ent­ stammt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Arbeitsmitteldampf, welcher dem Druck­ übersetzer (5) zum Zwecke der Verdichtung und damit bewirkten Temperaturerhöhung zugeführt wird, gänzlich vom Verdampfer (1; 1, 1) stammt und das Wärmeenergiepotential des den Verdichter (2) verlassenden komprimierten Arbeitsmittel gänzlich zum Zwecke einer zusätzlichen Verdampfung im Verdampfer (1; 1, 1) verwendet wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführung des Ar­ beitsmittels vom Verdichter (2) zum Verdampfer (1; 1, 1) über einen zweiten Verflüssiger (6) verläuft, indem das Arbeitsmit­ tel dort kondensiert und die entstehende Kondensationswärme bei der Wärmepumpe zum Verdampfer (1; 1, 1) und bei der Kälte­ maschine in die Umgebung geleitet wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb für den Ver­ dichter (2) teils oder vollständig von der vom Kreislauf aus dem zugeführten Wärmeenergiepotential (8) bzw. (9) erzeugten mechanischen Arbeit erfolgt.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Puffer (11) En­ ergie deponiert ist, welche zum Start und gegebenenfalls zur Anlaufphase des Kreislaufes dient.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die im Puffer (11) eingelagerte Energie dem Kreislauf entnom­ men ist.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlagerung der Energie in dem Puffer (11) durch einen Be­ hälter geschieht, in dem verdichtetes Arbeitsmittel lagert, welches vorher vom Druckübersetzer (5) komprimiert wurde.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das rückgeführte konden­ sierte Arbeitsmittel über ein Drosselorgan (4) entspannt wird und daß die durch diese Entspannung gewonnene Arbeit dem Ver­ dichter (2) zugeführt wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der vom Verdichter (2) zum Verflüs­ siger (6) strömende Teilstrom praktisch Null ist.

13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, mit
einem ersten Verdampfer (1) mit einem Eingang und einem Aus­ gang zum Verdampfen des Arbeitsmittels und zum Erzeugen eines Quelldampfes,
einem Verdichter (2) mit einem Eingang und einem Ausgang, wo­ bei der Eingang mit dem Ausgang des ersten Verdampfers (1) verbunden ist zum Verdichten des aus dem ersten Verdampfer (1) austretenden Quelldampfes,
einem Druckübersetzer (5), der eingangsseitig mit dem Ausgang des Verdichters (2) verbunden ist,
einem ersten Verflüssiger (3) mit einem Eingang und mit einem Ausgang, der mit seinem Eingang mit dem Druckübersetzer (5) und mit seinem Ausgang mit dem Eingang des ersten Verdampfers (1) verbunden ist, zum Kondensieren des Arbeitsstoffes, einem zweiten Verflüssiger (6), der mit einem Ausgang des Druckübersetzers (5) verbunden ist, und
einem zweiten Verdampfer (1,1), wobei der zweite Verflüssiger (6) ausgangsseitig mit einem Eingang des zweiten Verdampfers (1, 1) verbunden ist und ein Ausgang des zweiten Verdampfers (1, 1) mit dem Eingang des Verdichters (2) verbunden ist, wobei die in dem zweiten Verflüssiger (6) frei werdende Kondensati­ onswärme dem zweiten Verdampfer (1, 1) zugeführt wird und diese Kondensationswärme dem ersten Verdampfer (1) zur Unterstützung des dortigen Verdampfungsprozesses zugeführt werden kann.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (1) und (1, 1) in einer Apparatur zusammengefaßt sind, soweit beide jeweils als Direktverdampfer oder Indirekt­ verdampfer ausgebildet sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Verdichter (2) aus einem Hochdruckventilator besteht.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckübersetzer (5) aus einer Kolben­ konstruktion mit in einem Zylinder beweglichen Kolben und mit zwei verschieden großen Kolbenflächen besteht.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckübersetzer (5) aus einem Kolben­ verdichter und einer Kolbenentspannungsmaschine besteht, die mechanisch miteinander verbunden sind.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß ein Puffer (11) zum Speichern kinetischer Energie zum Antrieb des Verdichters (2) vorgesehen ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Puffer (11) mit dem Druckübersetzer (5) derart verbunden ist, daß er die von dem Druckübersetzer (5) erzeugte kineti­ sche Energie aufnehmen kann.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang des Verflüssigers (3) und dem Eingang des ersten Verdampfers (1) ein Drosselorgan (4) angeordnet ist.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter (2) ausgangsseitig eine Rückführung zu dem ersten Verdampfer (1) derart aufweist, daß die Wärmeenergie des über diese Rückführung abgezweigten Teil­ stromes als Arbeitsmittels zur Verdampfung des Arbeitsmittels im ersten Verdampfer (1) beiträgt.