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Wärmepumpe oder Kältemaschine
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@Kreisprozeß] Gegenstand der erfindung ist eine neuartige Wärmepumpe
oder auch - Je nach hTutzanwendung - eine Kältemaschine, die einstufig Wärme über
größere Temperaturdifferenzen mit wesentlich besserem Wirkungsgrad als bisher bekannt
hochpumpen kann und gleichzeitig kostengünstiger herzustellen ist. Bisher wurden
l rmepumpen bzw. Kältemaschiren, wenn sie mit einem kompressionsbetriebenen Verdampfungsprozeß
arbeiteten, ausschließlich in klassischer Weise für die bekannten vier Zustands'Mnderungen
ausgelegt.
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1. Absenkung des Druckes durch Drosselung, 2. isobare/isotherme Entspannung
als Verdampfung, 3. isentropische Verdichtung und 4. isobare/isotherme Verdichtung
als Kondensation.
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@rbesserung des Wirkungsgrades ist die Anordnung ei-Des inneren Wärmetauschers
bekannt, der die Unterkühlung der lässigkeit durch Värmeabgabe an den zu komprimierengen
Dampf bewirkt. Zu einer solchen Anlage werden Je ein Verdampfer, Verdichter, Verflüssiger,
Flüssigkeitsbehälter und Drosselventil benötigt, evtl. noch ein Wärmetauscher.
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Erfindungsgemäß soll nun dieser klassische Verdampfungskälteprozeß
bezüglich seines Wirkungsgrades verbessert werden. Zunächst muß festgestellt werden,
daß durch die bischer übliche Druckabsenkung im Kältemittelkreislauf mittels Drosselventil
eine durch Expansion gewinnbare Arbeit verloren geht. Würde man den auf der Kondensationsseite
herrschenden Druck nur auf den Verdampfungsdruck über eine Entspannungsmaschine
absenken, wäre wegen der relativ kleinen Temperaturdifferenz der Gewinn technische
rbeit gemessen am Aufwand nicht rentabel. Aber auch bei großer Druckdifferenz l@hnt
der Einsatz einer Entspannungsmaschine bei konventionellem Kreisprozeß nicht, Ca
2uch beim Komprimieren des Dampfes die große Druckdifferenz wieder überwunden werden
muß; große Druckverhältnisse führen jedoch wegen des sogenannten schädlichen
Saumes
bei Kolben- bzw. Rückströmverlusten bei Turboverdichtern zu einem schlechten volumetrischen
Wirkunge grad so daß mögliche Vorteile wieder aufgehoben werden.
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Bei der erfindungsgemäßen Wärmepumpe können die Vorteile einer möglichen
Entspannungsarbeit anstelle der Drosselunr genutzt und gleichzeitig die Nachteile
großer Druckdifferenzen beim Verdichten vermieden werden. Durch Anderug des Kreisprozeßverlaufs,
indem die übliche isobare, isotherme Verdampfung, durch eine isochore Zustandeänderung
ersetzt wird, kann ein Teil der zur Verdichtung benötigten technischen Arbeit eingespart
werden.
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lin solcher erfindungsgemäßer Kreisprozeß ist in Fig. 1 in einem lg
p, h Molier-Diagramm dargestellt.
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wird gering unterkühltes flüssiges Kältemittel wird am Punkt 1 zur
Entspannung gebracht. Unter Abgabe von technischer Arbeit expandiert das Kältemittel
isentropisch bei zunehmendem Dampfgehalt auf ein vorgegebenes Volumen zum Punkt
2 und damit verbunden auf niedere Temperatur und niederen Druck. Das Volumen des
Raumes, in den der Dampf einströmt, wird nun während einer bestimmten Zeit, die
zur Wärmeaufnahme erforderlich ist, konstant gehalten.
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Bei Wärmezufuhr entsteht bei gleichzeitiger Zunahme des Dampfgehaltes
ein höherer Druck und eine höhere Temperatur.
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Rei reichen des Zustandes am Punkt 3 ist somit eine eirer technischen
Arbeit gleichzusetzende Druckerhöhung erfolgt, obgleich von augen keine Arbeit eingebracht
wurde. Von Punkt 3 zu Punkt 4 muß isentropisch verdichtet werden, so daß von Punkt
4 zu Punkt 1 die bleiche isobare/ isotherme weitere Verdichtung durch Kondensation
erfolgen kann.
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An dem im Diagramm Fig. 1 dargestellten Kreisprozeß ist zu erkennen:
1.
Daß die durch Entspannung gewinnbare Arbeit größer ist, als im üblichen Prozeß,
weil zu niedrigeren Druck- und Temperaturwerten entspannt werden kann, 2. daß die
zur Verdampfung zuzuführende Wärme bei größerer Temperaturdifferenz fließen kann
als üblich, was bedeutet, daß kleinere Wärmeübertragungsflächen benötigt werden
und 3. da die von Punkt 1 zu Punkt 2 nutzbare technische Arbeit ca. die Hälfte der
einzubringenden Arbeit von Punkt 3 zu Punkt 4 beträgt.
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Kreisprozeßführung sind bereits
bei theoretischer Betrachtung deutlich.
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In der nachfolgend beschriebenen Anlage zur Durchführung dieses Prozeßverlaufs
wird erkennbar, daß zusätzlich wirtschaftliche Vorteile durch die einfache Bauweise
einer solchen Wärmepumpe möglich werden.
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In Fig. 2 ist die technische Ausführung unter Verzicht auf unwesentliche,
in der Praxis hinreichend bekannte Datails dargestellt.
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,ie besteht im wesentlichen aus einem neuartigen Hubverdampfer 1 mit
Auslaßventilen 2, einem Druckausgleichsgefäß 3. Kondensator 4. Flüssigkeitssammler
5. Schnellsc lußventilen 6 und 7, einem Dosiergefäß 8. Zur Betotigung des Hubverdampfers
1 werden eine Nockenscheibe 9, ein Getriebe 10 und ein Antriebsmotor 11 mit Schwungscheibe
benötigt. Ferner sind verbindende Leitungen 12 des Kältemittelkreislaufes eingezeichnet,
sowie die leitungsführung 13 des v'ärmeabgebenden und 14 die des wärmeaufnehmenden
Mediums.
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er Hubverdampfer 1 ist nicht nur Verdampfer, sondern gleichzeitig
auch Expansionsmaschine und Kompressor.
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r stellt einen flachen zylindrischen Körper dar, dessen Zylinderböden
und mindestens ein dazwischen beweglich angeordneter Kolben als Verdampferplatten
ausgebildet sind.
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Diese sind so gestaltet. daß sie formschlüssig aneinander leeren können;
sie sid mit Hohlkanälen oder Bohrungen versehen, durch die das wärmeabgebende Medium
fließen kann. Die einzelnen P]atten können teils von außen, teils untereinander
mit flexiblen Zeitungen derart verbunden werden. daß sich die innen liegenden Leitungen
beim Zusammenfahren der Platten in Aussparungen einfügen können.
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Über eine Kolbenstange, die an der mittleren als Kolben wirkende Verdampferplatte
angeordnet ist, erfolgt die Steuerung des Hubs. Eine Nockenscheibe 9 ist so ausgebildet,
daß bei einer Umdrehung eine schnelle Vor-, nach eier längeren Standzeit eine schnelle
Rückfahrt des Kolbens und anschließend nochmalig eine längere Stande zeit möglich
werden. Während der kurzzeitigen Hubbewegungen erfolgen jeweils die Expansion einer
vorher dosierten Menge flüssigen Kältemittels in den freiwerdenken Arbeitsraum und
gleichzeitig Verdichtung und Ausstoß einer gleichen Menge in dem sich verkleinernden
Raum. Während der längeren Standzeiten der mittleren Verdampferplatte in jeder Endstellung
erfolgt durch Wärmezufi,hr die Verdampfung des eingeschlossenen Kältemittels, was
der bereits erwähnten isochoren Druckerhöhung entspricht.
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Der erfindungsgemäße Hubverdampfer wirkt also wie eine bekannte schiebergesteuerte,
doppelbeaufschlagte Kolben~ maschine, die jedoch diskontinuierlich arbeitet und
gleichzeitig als Verdampfer und Verdickter wirkt.
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Um i jeweilige, vorher festgelegte Füllmenge der Arbeitsräume zu gewährleisten,
ist das DosiergefRß 8 vorgeschaltet. Es füllt sich jeweils während der Standzeit
des mittleren Wärmetauscherskolbens bei geöffnetem Ventil 7.
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Sobald die Bewegung des Kolbens einsetzt, ist Ventil 7 geschlossen
und ein Ventil 6 geöffnet, entweder 6a oder 6b, abhängig davon, welcher Arbeitsraum
sich öffnet.
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einer Dosierbehälter enthält genau die Menge Kältemittel, deren Volumen
im expandierten Zustand dem des freiwerdenden Arbeitsraumes entspricht. Gleichzeitig
mit der Entspannung in den freiwerdenden Arbeitsraum erfolgt die Verdichtung des
gesättigten Dampfes in dem sich verkleinernden Raum vor der Kolbenplatte. Der anfänglich
hohe Druck des expandierenden Kältemittels hinter dem Kolben bewirkt mindestens
bis zum Druckausgleich mit dem Dampf vor dem Kolben die Verdichtung ohne zusätzliche
Energie von außen. Nur für die restliche Verdichtungsarbeit wird der Antriebsmotor
11 benötigt. Die tatsächlichen Druckverhältnisse sind nsch Stoffdaten bzw. thermodynamischen
Eigenschaften des gewählten Kältemittels rechnerisch zu ermitteln.
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Da sowohl die Expansion als auch die Kompression im verlauf des Prozeßes
möglichst adiabat erfolgen solltc, enderenseits aber alle Winde der Arbeitsräume
reAat.v kalt bleiben, darf die Zeit, wthrend der die beiden Raumänderungsarbeiten
erfindungsgemäß in einer maschine gleichzeitig erfolgen, möglichst nur ca. 20t,
- 25% der Zeit betragen, die für die Verdampfung benötigt werden. Entsprechend ist
die in Fig.
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2 dargestellte Nockenscheibe 9 auszubilden. Trotzdem ist in der Praxis
eine Abweichung vom theoretischen Verlauf der s-Linien, also bei konstanter Entropie,
unvermeidlich. Die etwaigen Verläufe sind als unterbrochene Linien im Diagramm Fig.
1 entlang der Isentropen dargestellt. Es ergeben sich auf der Strecke 1 - 2 zunächst
eine zusätzliche Unterkühlung, in der zweiten Hälfte des Verlaufs eine Erwärmung.
Die sich dabei ändernde technische Arbeitsleistung - negativ und positiv - ist am
Ende der Strecke fast ausgeglichen, Anders ist es bei der Kompression entlang der
Strecke 3 - 4; hier wird in der Praxis über den Anteil unvermeidiicher Reibungewärme
hinaus eine Wärmeabfuhr im oberen Bereich der Strecke wirksam. die sich positiv
auswirkt. da sie zur Minderung der einzubringenden Arbeit führt.
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Obgleich dadurch auch die Gesamtmenge der abzuführenden Warme entlang
der Strecke 4 - 1 reduziert wird, ist im Falie der Nutzung des Prinzips als Wärmepumpe
der Wirkungsgrad, d.h. der Wärmefaktor. wegen des gleichzeitig niedrigeren Bedarfs
an technischer Arbeit immer noch günstiger als bei ungekühlter Verdichtung. Im übrigen
ist es möglich, den Fluß des Mediums 13 durch den Hubverdampfer 1 mittels Umsteuerventilen
so zu steuern, daß wehren einer gewollt adiabaten Zustandsänderung entlang der Strecke
1 - 2 und 3 - 4 praktisch keine Wärme übertragen wird, so daß lediglich geringe
Abweichungen vom idealen Verlauf der s-Linien durch Temperaturangleichung, d. h.
Änderung der spezifischen Wärmeinhalte der Platten möglich werden.
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Um den Kraftbedarf, der intermittierend anfällt, durch einen kontinuierlich
arbeitenden Elektromotor einbringen zu können, ist die Schwungscheibe am Motor 11
als kinetischer Speicher angeordnet.
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ja die Arbeitsrtume des Hubverdampfers stoßweise entleert erden, ist
außer den das Rückströmen verhindernden Auslaßventilen 2 ein Druckausgleichsgefäß
3 angeordnet. Sein Fassungsvermögen muß einem Vielfachen des jeweils aus einem Arbeitsraum
austretenden verdichteten Volumens entsprechen, um die Amplituden des Druckverlaufs
möglichst gering zu halten und das kontinuierliche Beschicken des Kondensators 4
zu gewährleisten, Eine besondere Regeleinrichtung ist nicht erforderlich.
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Da ir. Gegensatz zu den konventionellen Kältemittelverdichtern der
erfindungsgemäße Hubverdampfer völlig unempfindlich ist gegen Naßdampfeinwirkung
und sonst gefürchteter Flüssigkeitsschläge bei Kolbenverdichtern, ist es gleichgültig,
ob bei geringer Wärmezufuhr, bzw.
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-abfuhr, die im Diagramm Fig. 1 dargestellten Strecken 1 - 2 und 3
- 4 mehr oder weniger zueinanderrücken.
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Nur für den Fall, daß eine erfindungsgemäße Wärmepumpe, bzw. ltemaschine,
für maximale Temperaturdifferenzen zwischen dem wärmeabgebenden und wärmeaufnehmenden
Mediurn ausgelegt ist, aber hilufig ach mit kleinen Temperaturdifferenzen gefahren
werden soll, kann bedingt durch günstigere Wärmeübertragungswerte an den Warme tauscherplatten
des Hubverdampfers der Kreislauf beschleunigt, d.h. durch Anordnung eines verstellbaren
Getriebes 10 die Drehzahl der Nockenscheibe 9 erhöht werden. Alle übrigen hier nicht
erwähnten Funktionen und Bauteile sind auf den Arbeitsgebieten Kältetechnik und
Maschinenbau hinreichend bekannt.
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Wärmepumpe bzw.
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Kältemaschine sind überzeugend. Wärme- bzw. Kältefaktoren erden um
ca. 100% verbessert; es werden weniger und nur unkomplizierte Bauteile benötigt,
so daß auch eine billigere Herstellung möglich ist.
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L e e r s e i t e