DE2526499A1 - Verfahren zur uebertragung von waerme von umgebungsluft auf ein arbeitsmittel - Google Patents

Description

• Verfahren zur Ubertragung von Wärme von Umgebungsluft auf ein Arbeitsmittel Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ubertragung von Wärme von Umgebungsluft auf ein Arbeitsmittel.
• Bei der Verwendung von Luft als Wärmequelle zum Erwärmen eines Arbeitsmittels, z.B. des Arbeitsmittels einer Wärmepumpe, ergibt sich die Schwierigkeit, daß bei Umgebungstemperaturen von unterhalb etwa 8 C aufgrund der Luftfeuchtigkeit Vereisungen auf den Heizflächen des entsprechenden Wärmeaustauschers auftreten können, was bereits nach kurzer Zeit zu einer Verlegung dieses Wärmeaustauschers fUhren kann.
• Zur Beseitigung dieser Schwierigkeiten ist es bekannt geworden, wechselbare Wärmeaustauscher zu verwenden, wobei während der Beladung des einen der andere regenriert wird. Dies erfordert jedoch neben der zwei- oder mehrfachen Ausführung der Wärtaeaustauscher auch noch eine komplizierte Umschaltautomatik.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zur kontinuierlichen Wärmeubertragung von Umgebungsluft auf ein Arbeitsmittel zu entwickeln.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Wärme im direkten Wärmeaustausch zunächst auf einen flüssigen Wärmeträger und dann von dem Wärmeträger auf das Arbeitsmittel Ubertragen wird.
• Durch die EinfUhrung eines Wärmeträgers, der die auf ein Arbeitsmittel zu Ubertragende Wärme im direkten Wärmeaustausch, z.B. in einem Sprtmzonenkühler, von der Luft aufnimmt, gelingt es, eine Verlegung des Wärmeaustauschers, in dem die Abkühlung der Luft erfolgt, auch bei relativ niedrigen Außentemperaturen und hohen Luftfeuchtigkeiten zu verhindern.
• Als Wärmeträger kann jede FlUssigkeit verwendet werden, deren Gefrierpunkt unterhalb der tiefsten, bei der IDurchrUhrung des Verfahrens vorliegenden Temperatur liegt.
• Als besonders vorteilhaft erweist sich jedoch die Verwendung einer wässrigen Salzlösung, wie z.B. einer CaC12-Lösung, als Wärmeträger, da diese ohne größeren Aufwand bereitgestellt werden kann. Da jedoch bei dem direkten Wärmeaustausch zwischen Umgebungsluft und Wärmeträger sich ständig ein Teil des in der Luft enthaltenen Wasserdampfes in der Sole löst, was in nachteiliger Weise zu einer VerdUnnung fUhren wUrde, muß kontinuierlich zumindest ein Teil des Wassers erneut aus der Sole entfernt werden. Dies erfolgt nach einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch, daß ein Teil der als Wärmeträger benutzten Sole erhitzt und partiell verdampft wird. Die Wärmeverluste können auf einfache Weise dadurch gedeckt werden, daß der bei der partiellen Verdampfung anfallende heiße Wasserdampf verdichtet und die bei der Verdichtung anfallende Wärmemenge zur Kompensation der Wärmeverluste verwendet wird.
• Als weiterer Wärmeträger eigenen sich FlUssigkelten, die in Wasser fast nicht löslich und deren spezifisches Gewicht entweder größer oder kleiner als das spezifische Gewicht von Wasser ist. Bei der Verwendung solcher Wärmeträger, z.B.
• chlorierte oder flourierte Kohlenwasserstoffe bzw. Mineralöle, tritt wegen der schlechten Wasserlöslichkeit das Problem der Verdünnung nicht auf. Allerdings gefriert nunmehr während des direkten Wärmeaustauschs der in der Luft enthaltene Wasserdampf aus und sammelt sich in Form von Eiskristallen in Wärmeträger an. Nach weiteren Merkmalen der Erfindung werden diese Eiskristalle auf geeignete Weise,z.B.durch Absetzen in einem Gefäß, durch das der Wärmeträger geleitet wird,oder mittels Filter, die z.B. wechselbar geschaltet sein können, wieder abgetrennt.
• Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Ubertragung von Wärme von Umgebungsluft auf jedes beliebige Arbeitsmittel. Es wird jedoch bevorzugt im Zusammenhang mit einer Wärmepumpe für Heizzwecke verwendet.
• Weitere Erläuterungen zu der Erfindung sind den in den Figuren schematisch dargestellten AusfUhrungsbeispielen zu entnehmen. FUr gleiche Vorrichtungsteile sind jeweils die gleichen Bezugsziffern vorgesehen.
• Es zeigen: Figur 1 eine Ausftlhrungsform, bei der als Wärmeträger eine Sole verwendet wird, Figur 2 eine Ausfllhrmngsform, bei der als Wärmeträger eine fast nicht wasserlösliche FlUssigkeit mit einem spezifischen Gewicht großer als das vom Wasser verwendet wird, Figur # eine AusfUhrungsform, bei der als Wärmeträger eine rast nicht wasserlösliche FlUssigkeit mit einem spezifischen Gewicht kleiner als das vom Wasser verwendet wird.
• Gemäß Figur 1 wird Wärme von Umgebungsluft auf das Arbeitsmittel eines für Heizungszwecke vorgesehenen Wärmepumpenkreislaufs Ubertragen. Die Ubertragung erfolgt Uber einen geschlossenen Kreislauf mit einer wässrigen CaCl2-Lösung als Wärmeträger. Der CaC12-Anteil beträgt etwa 20 Gew.-%; der Gefrierpunkt liegt demzufolge bei etwa -18 bis 2000.
• 172 t/h dieser Sole werden Uber eine Leitung 1 unter einer Temperatur von etwa -150C einem SprUhzonenkuhler 2 zugefahrt und dort in indirektem Wärmetausch mit Umgebungsluft auf etwa -9°C angewärmt. Die Luft wird unter eine Temperatur von etwa 700 und in einer Menge von etwa 286700 Nm3 Uber eine Leitung 5 und ein Gebläse 4 dem SprUhzonenkUhler 2 zugefUhrt, dort in innigen Kontakt mit der Sole gebracht, hierbei auf etwa 1300 abgekühlt und dann Uber eine Leitung 5 erneut aus dem KUhler 2 abgezogen. Durch einen Filter 6 wird verhindert, daß von der abziehenden Luft Flussigkeitströpfchen mitgerissen werden.
• Die im SprUhzonenkUhler 2 auf -9°C abgekUhlte Sole wird nunmehr Uber eine Leitung 7 und eine Pumpe 8 einem Wärmeaustauscher 9 zugefUhrt und in diesem gegen verdampfendes Arbeitsmittel eines Wärmepumpenkreislaufs erneut auf etwa -150C abgekühlt. Daraufhin wird die Sole erneut dem SprUhzonenkWhler 2 zugeleitet.
• Das Arbeitsmittel des Wärmepumpenkreislaufs, in diesem Falle das Freo R 22, wird im Wärmeaustauscher 9 unter einer Temperatur von etwa -180C verdampft und dann in einem Kompressor 10 verdichtet. Durch die Verdichtung erfolgt ein Temperaturanstieg auf etwa 400C,unter der das Freon in einem Wärmeaustauscher ll im Wärmeaustausch mit Wasser, welches sich bei diesem Wärmeaustausch auf etwa 350C erwärmt, erneut kondensiert wird. Das kondensierte Freon wird in einem Ventil 12 entspannt, und erneut dem Wärmeaustauscher 9 zugefUhrt. Die im Wärmeaustauscher 11 von dem Wasserkreislauf aufgenommene Wärme wird in einem Wärmeaustauscher 25 an einen Verbraucher gefUhrt.
• Dadurch, daß der Wärmeaustausch zwischen Umgebungsr luft und Sole im SprUhzonenkUhler 2 auf direktem Wege erfolgt, wird mit Sicherheit verhindert, daß kein Wasser auf Heizflächen ausfriert. Dies wäre nicht zu verhindern, wenn die Luft entsprechend dem Stand der Technik direkt im Wärmeaustauscher 9 abgekühlt wUrde.
• Da bei dem direkten Wärmeaustausch zwischen Luft und Sole im SprUhzonenkUhler 2 ständig ein Teil des in der Luft enthaltenen Wasserdampfes In der Sole gelöst wird, was in nachtelliger Weise zu einer st#tndigen VerdUnnung der Sole führen würde, wird aus dem Solekreislauf Uber eine Leitung 13 und eine Pumpe 14 ein Teil der Sole, nämlich 602 kg/h abgezogen, in einem Wärmeaustauscher 15 auf etwa 1000C angewärmt und daraufhin nach weiterer Anwärmung auf etwa 1200C in einem Verdampfer 16 teilweise verdampft und einer Phasentrennung unterzogen. Die im Sumpf des Verdampfers anfallende angereicherte Sole (301 kg/h) wird im Wärmeaustauscher 15 abgekühlt und Uber eine Leitung 17 erneut in den Solenkreislauf eingespeist. Das Kopfprodukt des Verdampfers 16, welches sich im wesentlichen aus Wasserdampf und einer kleinen, in dem SprUhzonenkUhler 2 gelöste Luftmenge zusammensetzt, wird unter einem Druck von etwa 2 ata und einer Temperatur von 200C Uber eine Leitung 18 aus dem Verdampfer 16 abgezogen, in einem Verdichter 19 auf etwa 2,35 ata verdichtet, hierbei auf etwa 1250C erwärmt und dann in einer im Verdampfer 16 angeordneten Heizschlange 20 erneut kondensiert. Die mitgefUhrte Luft wird in einem Abscheider 21 abgetrennt und Uber eine Leitung 22 aus der Anlage abgezogen, während das Wasser, ungeführt 501 kg/h, im Wärmeaustauscher 15 abgekühlt und dann Uber eine Leitung 23 ebenfalls aus der Anlage abgezogen wird.
• Die im Kompressor 19 entwickelte Wärmernenge reicht normalerweise aus, um die Wämeverluste im Wärmeaustauscher 15 urß iD Verdampfer 16 zu decken. Sollte dies bei kleineren Anlagen einmal nicht der Fall sein, so kann dem Verdampfer 15 Uber eine zusätzliche elektrische fleizlmg 24 weitere Wärme zugeführt werden.
• Figur 2 zeigt ein Ausführungabeispiel, bei dem als Wärmeträger eine FlUssigkeit verwendet wird, die in Wasser nahezu nicht löslich und deren spezifisches Gewicht größer ist als das von Wasser. Als solche FlUssigkeiten kommen z.B. chlorierte oder fluorierte Kohlenwasserstoffe in Frage. Die WärmeUbertragung von der Luft auf das Arbeitsmittel des Wärmepumpenkreislaufs erfolgt analog zu dem in Figur 1 dargestellten Beispiel.
• Allerdings wird irl diesem Beispiel der von der Luft mitgefUhrte Wasserdampf nicht im Wärmeträger gelöst. Vielmehr scheiden sich im SprUhzonenkUhler 2Eiskristalle auf der Oberfläche des Wärmeträgers aus. Zur Abtrennung dieser Eiskristalle wird der dem SprUhzonenkUhler 2 verlassende, mit Eiskristallen vermischte Wärmeträger Uber eine Leitung 26 dem ersten Abscheideraum 27 eines Trenngefäßes 28 zugefUhrt. Hier steigen die Eiskristalle an die Oberfläche und fließen zusammen mit einem Teil des Wärmeträgers über ein Wehr 29 in einen zweiten Abscheidraum 30.
• Diesem wird Uber einen Wärmeaustauscher 31 Wärme zugeführt, so daß die Eiskristalle schmelzen. Das die obere Schicht bildende Wasser fließt Uber ein zweites Wehr 32 in einen dritten Abscheideraum 33 und wird aus diesem Uber eine Leitung 34 aus der Anlage abgezogen. Der in den Abscheideräumen 27 und 30 verbleibende Wärmeträger wird mittels der Pump 8 durch Leitungen 35 und 36 abgesaugt und dem Wärmeaustauscher 9 zugefUhrt. Die Beheizung des Abscheideraums 30 erfolgt zweckmäßigerweise mittels Wärme aus dem Wärmepumpenkreislauf, aus dem ein Teil des Arbeitsmittels Uber eine Leitung 37 abgezogen, im Wärmeaustauscher 31 gekUhlt, in einem Ventil 38 entspannt und daraufhin Uber eine Leitung 39 erneut in den Wärmepumpenkreislauf zurückgeflihrt wird.
• Ein weiteres AusfUhrungsbeistiel ist in Figur 3 dargestellt. Hier wird als Wärmeträger eine Flüssigkeit verwendet, die ebenfalls im Wasser fast nicht löslich ist, die aber ein spezifisches Gewicht besitzt, welches kleiner als das von Wasser ist. Als solche FlUssigkeit kommt beispielsweise ein leicht zu beschaffendes Mineralöl in Frage. Die WärmeUbertragung von der Luft auf das Arbeitsmittel des Wärmepumpenkreislaufs erfolgt auch hier im wesentlichen analog zu den in den Figuren 1 und 2 dargestellten Beispielen.
• Der Unterschied zu dem in Figur 2 dargestellten Beispiel liegt in der abtrennung der von den SprUnzonenkUhler verlassenden Wärmeträger mitgerührten Eiskristalle, welche nunmehr aufgrund des geringen Dichteunterschiedes zwischen Eis und Wärmeträger nicht mehr ohne weiteres gemäß der in Figur 2 dargestellten Verfahrensweise möglich ist.
• Der mit Eiskristallen beladene Wärmeträger gelangt Uber eine Leitung 40 in ein Filtergehäuse 41, in dem sich ein zylindrischer Filterkörper 42 um seine eigene Achse dreht. Der Ringraum zwischen Filterkörper 42 und Filtergehäuse 41 ist durch Lippendichtungen 43 und 44 in zwei ungefähr gleich große Räume geteilt. Ebenso ist der Innenraum des Filterkörpers 42 durch eine feststehende Trennwand 45 geteilt, wobei die entstandenen inneren und äußeren Räume einander zugeordnet sind. Der mit Eis versetzte Wärmeträger durchströmt im Bereich des einen Raumpaares die zylindrische Filterwand, wobei sich die Eispartikel auf dieser niederschlagen. Der gerilterte Wärmeträger wird Uber eine Leitung 46 aus dem inneren Zylinderraum abgesaugt und dem Verdampfer 9 des Wärmepumpenkreislaufs zugefUhrt. Das sich auf dem Filterkörper 42 niederschlagende Eis wird durch eine Drehung in dem Bereich der beiden anderen Filterräume gebracht, die nunmehr von einem warmen Wärmeträger, welcherUber eine Leitung 47 ein- und Uber eine Leitung 48 austritt, durchströmt werden. Dieser taut das Eis und führt das Wasser in den ersten Abscheideraum 49 eines Trenngefäßes 55. Aus diesem fließt der leichtere Wärmeträger Uber ein Wehr 50 in einen Raum 51, aus dem er mittels einer Pumpe 52 abgesaugt und nach Erwärmung in einem durch Arbeitsmittel aus dem Wärmepumpenkreislauf beheizten Wärmeaustauscher 53 erneut Uber die Leitung 47 dem Filtersystem zugeführt wird. Das Wasser, welches sich im unteren Bereich des Abscheideraums 49 absetzt, wird Uber eine Leitung 54 aus der Anlage abgezogen.

Claims (12)

Patentansprüche

1. Verfahren zur tibertragung von warme von Umgebungsluft auf ein Arbeitsmittel, dadurch gekenr.zeichnet, daß die Warme im direkten Wärmeaustausch zunächst auf einen flüssigen Wärmeträger und dann von dem Wrmeträger auf das Arbeitsmittel übertragen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmeträger eine Sole verwendet wird, deren Gefrierpunkt tiefer als der Gefrierpunkt von Wasser und deren Siedepunkt höher als der Siedepunkt von Wasser liegt.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil des während des Wärmeaustauschs in der Sole gelösten Wassers durch partielle Verdampfung aus dieser abgetrennt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das bei der partiellen Verdampfung anfallende wasserdampfreiche Gasgemisch verdichtet und im Wärme austausch mit der zu behandelnden Sole erneut kondensiert wird (Figur 1).

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmeträger eine ?lUssigkeit ve=;er.deS wird, die in Wasser fast nicht löslich und deren spezifisches Gewicht größer als das spezifisches Gewicht von Wasser ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das wShrend des direkten Wärmeaustauschs ausfrierendiVasser in einem mit mehreren Abscheidestufen versehenen GefRß aus dem Wärrreträger abgetrennt wird, wobei das in einer ersten Abscheiderstufen anfallende Eis zusammen mit einem Teil des Wärmeträgers Uber ein Wehr einer zweiten Abscheiderstufe zugeführt, dort aufgetaut und durch Uberlauf Uber ein weiteres Wehr von dem Wärmeträger getrennt wird (Figur 2).

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmeträger eine Flüssigkeit verwendet wird, die im Wasser fast nicht löslich und deren spezifisches Gewicht kleiner ist als das spezifische Gewicht von Wasser.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß während des direkten Wärmeaustauschs zwischen Luft und Wärmeträger ausfrierendes Wasser mittels Filter aus dem Wärmeträger abgetrennt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Eis auf einem Teil der Oberfläche eines zylindrischen, um die eigene Achse drehbaren Filters abgeschieden wird und daß die Regenerierung des Filters durch Drehung der beladenen Filterteilfläche in eine wärmere Zone, in der das Eis abgetaut wird, erfolgt (Figur 3).

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprechen 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Sprühzonenktlliler (2), dessen Eingang Uber eine erste Leitung (1) mit dem Ausgang und dessen Ausgang Uber eine zweite Leitung (7) mit dem Eingang eines Wärmeaustauschers (9) in Verbindung steht, durch durch eine Zweigleitung lljl die Uber einen Wärmetauscherquerschnitt die zweite Leitung (7) mit einem Verdampfer (16) vereinen durch einen im Verdampfer (16) angeordneten Kondensator (20), welcher Uber einen Verdichter (19) und eine Leitung (18) mit dem Kopf des Verdampfers (16) in Verbindung steht sowie durch eine weitere Leitung (17), die Uber einen weiteren Wärmeaustauscherquerschnitt den Sumpf des Verdampfers (16) mit der zweiten Leitung verbindet.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Kondensators (20) mit einem Abscheider (21) verbunden ist.

12. Vorrichtung zur Durchrlihrung des Verfahrens nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen unter Freilassung eines Ringspaltes in einem Filtergehäuse (41) angeordneten zylindrischen, um #eine eigene Achse drehbaren Filterkörper (42), wobei das Innere des Filterkörpers (42) durch eine feststehende Trennwand (45)und der Ringraum durch feststehende Dichtungen (43, 44) in Teilräume aufgeteilt sind, jeweils einem Ringteilraum ein durch die Trerniwand gebildete Teilraum zugeordnet ist und zwei zueinander zugeordnete Teilräume sich auf höheren Temperaturniveaus als die beiden anderen befinden.