DE2721740C2

DE2721740C2 - Einrichtung zum Übertragen der Wärme von einem ersten Wärmeträger auf einen zweiten Wärmeträger

Info

Publication number: DE2721740C2
Application number: DE2721740A
Authority: DE
Inventors: Jacques Paris Sterlini
Original assignee: ELECTRO-MECANIQUE PARIS FR Cie
Current assignee: ELECTRO-MECANIQUE PARIS FR Cie
Priority date: 1976-05-18
Filing date: 1977-05-13
Publication date: 1986-01-23
Also published as: SE432145B; JPS5816117B2; NL169641B; NL7705473A; GB1562747A; US4149585A; JPS52142354A; SE7705720L; BR7703202A; NL169641C; FR2352247B1; DE2721740A1; CA1092597A; BE854728A; SU700072A3; FR2352247A1; IT1113571B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einer aus der CH-PS 3 05 668 bekannten, als Wärmepumpe dienenden Einrichtung dieser Art erfolgt der Wärmeübergang vom Arbeitsmittel auf den zweiten Wärmeträger in einem Kondensator mit relativ geringer Temperaturdifferenz und unbefriedigendem Wirkungsgrad.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, die eine Wärmeübertragung zwischen den beiden Wärmeträgern in einem, an einen thermodynamisch reversiblen besser angeglichenen, Prozeß mit entsprechend gutem Wirkungsgrad ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die hier beschriebene Einrichtung ist insbesondere dann verwendbar, wenn eine bei relativ niedriger Tempenitur in dem ersten Wärmeträger, beispielsweise einer gecthermischen Flüssigkeit oder Sole zur Verfügung stehende größere Wärmemenge unter Temperaturerhöhung z. B. in eine andere Flüssigkeit wie Süßwasser übertragen werden solL

Allgemein kann eine mit einer Temperatur 71 zur Verfugung stehende Flüssigkeit auf eine Temperatur TO abgekühlt und die dabei gewonnene Wärmemenge dazu benützt werden,- eine andere Flüssigkei, von einer Temperatur T2 auf eine Temperatur T3 aufzuheizen,

ίο wobei der Mittelwert der Temperaturen T2 und T3 über dem Mittelwert der Temperaturen TO und Π liegt

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung, die mit dem Arbeitsmittel und zwei Wärmeträgern arbeiten, unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Einrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

F i g. 2 eine schematische Darstellung einer Einrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; und

Fig.3 eine schematische Darstellung des Dampf-Flüssigkeitskreislaufes in einer Einrichtung ähnlich der gemäßFig. 1.

Bei den hier beschriebenen Einrichtungen erfolgen die thermodynamischen Umsetzungen in einer Reihe von Stufen A bis /, in denen in dieser Reihenfolge Druck von Stufe zu Stufe größer wird.

Die Stufen enthalten jeweils Verdichter für Dampf des Arbeitsmittels (z. B. Ammoniak), dem eine Abteilung zugeordnet ist die den gesamten Dampf des Arbeitsmittels, der diese Stufe durchströmt aufnimmt Die betrachtete Abteilung steht mit den Abteilungen der

jeweils benachbarten Stufen über Öffnungen verengten Querschnitts, also insbesondere Drosselöffnungen, in Verbindung und wird von flüssigem Arbeitsmittel in der zur Reihenfolge A-J entgegengesetzten Richtung durchströmt. Die Stufen enthalten ferner Wärmetauscher, bei denen es sich z. B. um Rohrschlangen, Rohrbündel oder ähnliches handeln kann, und die teilweise von einem ersten Wärmeträger (z. B. geothermische Flüssigkeit oder Sole) entgegen der genannten Reihenfolge durchströmt werden, wobei dann über die Wärmetauscher Wärme des ersten Wärmeträgers abgeben wird, und die zum anderen Teil von von einem zweiten Wärmeträger (z. B. Süßwasser) in Richtung der Reihenfolge A —J durdsströmt werden, wobei die Wärme des Arbeitsmittels auf den zweiten Wärmeträger übertragen wird.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung können sich durch einzelne Stufen heizende und kühlende Wärmetauscher erstrecken. Gewisse Stufen können aber auch ohne Wärmetauscher ausgeführt sein. In den Stufen ist für einen permanenten Durchfluß der Fluide sowie für einen Wärme- und Masseaustausch zwischen den betreffenden Fluiden gesorgt, wobei jeweils die Änderung der Masse des durch die betreffende Stufen strömenden Dampfes entgegengesetzt gleich der Änderung der

Masse der Flüssigkeit ist. Die Änderungen entstehen dabei durch Verdampfung bzw. Kondensation des Arbeitsmittels, das insgesamt in die betreffende Stufe eintritt.
Der von außen mit der Temperatur Ti zugeführte erste Wärmeträger wird vorzugsweise in die Einrichtung bei derjenigen Stufe eingeführt, deren Temperatur der Temperatur Ti am nächsten, vorzugsweise geringfügig über Ti liegt. Es durchläuft der Reihe nach die

»heizenden« Wärmetauscher der Stufen entgegen der Reihenfolge (A —J) bis zu einer Stufe mit der Temperatur 70 und tritt dann mit dieser Temperatur aus der Einrichtung aus. In entsprechender Weise wird der von außen mit der Temperatur 72 zugeführte zweite Wärmeträger vorzugsweise bei derjenigen Stufe in die Einrichtung eingeführt, wo die Temperatur am nächsten bei 72, vorzugsweise etwas darunter, liegt Dieser Wärmeträger durchläuft der Reihe nach Wärmetauscher der Stufen zur Aufnahme der Kondensationswärme des Arbeitsmittels und strömt in Richtung der Reihenfolge bis zur Stufe mit der Temperatur 73 und verläßt die Einrichtung mit dieser Temperatur. Die erste Stufe mit der Temperatur 70 ist insofern besonders, als sie keinen Verdichter enthält und das ganze eingeführte flüssige Arbeitsmittel verdampft wird. Auch die letzte Stufe mit der Temperatur TZ ist besonders ausgebildet da sie keinen Zufluß für Flüssigkeit hat und die gesamte Menge des zugeführten Dampfes des Arbeitsmittels in ihr kondensiert wird.

Aus den beschriebenen Merkmalen der Errichtung ergeben sich bestimmte funktionell Eigenschaften: Erstens ist die Dampfmenge, welche in eine Stufe eintritt gleich der Menge der Flüssigkeit die die Stufe verläßt; zweitens wird das flüssige Arbeitsmittel, welches die Stufen mit den »heizenden« Wärmeaustauschern entgegen der genannten Reihenfolge durchströmt fortlaufend verdampft bis zur ersten Stufe, wo die ganze Flüssigkeit verdampft wird; drittens wird der Dampf des Arbeitsmittels, der die Stufen mit den die Wärme des Arbeitsmittels aufnehmenden Wärmetauschern im Sinne der Reihenfolge durchströmt, fortlaufend kondensiert bis zur letzten Stufe, wo der gesamte Dampf kondensiert wird; viertens tritt Arbeitsmittel weder flüssig noch im Dampfzustand aus der Einrichtung aus, d. h. es zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf; fünftens enthält die Einrichtung, wenn sich die Temperaturintervalle TO— Ti und 72— T3 nicht überlappen, der Reihe nach eine Ai .zahl von Stufen, in denen das Arbeitsmittel vom ersten Wärmeträger erwärmt wird, welches sich dabei von Tl auf TO abkühlt ferner eine oder mehrere Stufen ohne Wärmetauscher und schließlich eine Anzahl Stufen, die durch den zweiten Wärmeträger gekühlt werden, welcher sich dabei von T2 auf 73 erwärmt; wenn dagegen sechstens die Temperaturintervalle TO— Ti und T2— 73 einen gemeinsamen Bereich Ti — T2 aufweisen, enthalten die Stufen mit den Temperaturen zwischen Ti und 72 Wärmetauscher sowohl für den einen als auch (ϊντ den anderen Wärmeträger. Die Erfindung ist aber nicht auf diese Merkmale oder Eigenschaften beschränkt.

Entsprechend einer weiteren interessanten Ausgestaltung der Erfindung werden die Temperaturen 71 und 72 als einem Nennarbeitsbereich zugehörig angesehen. Eine ausreichende Anzahl von Stufen, deren Temperaturen in der Nähe der Temperaturen 71 und 72 liegen, hat deshalb Wärmetauscher, die mit Mitteln (z. B. Ventilen) versehen sind, mit denen die Zufuhr des Wärmeträgers in normalen Betrieb gesperrt, wahlweise aber freigegeben werden kann. Auf diese Weise kann man, wenn die Eingangstemperaturen 71 und 72 des ersten und/oder zweiten Wärmeträgers schwanken und dann Werte 7'1 bzw. 7'2 annehmen, die Wärmeträger auf der Höhe derjenigen Stufen einspeisen, deren Temperaturen in der Nähe der Temperaturen 7Ί und 7'2 liegen.

F i g. 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer Einrichtung gemäß der Erfindung, welche zehn Stufen A bis J umfaßt und für den Fall vorgesehen ist daß sich die Temperaturintervalle des ersten und des zweiten Wärmeträgers überlappen.

Die Stufen A. Äund Cwerden vom ersten Wärmeträger durchströmt, der bei 1 mit der Temperatur 71 ein tritt und die durch Heizschlangen gebildeten Wärmetauscher 2 der drei Stufen entgegen der Reihenfolge A—Cdurchläuft, um bei 3 auszutreten.

Die Heizschlangen befinden sich zumindest teilweise

unter dem Flüssigkeitsspiegel in den Kammern der Stufen.

Die Stufen F. G, H. I und / enthalten wie Kühlschlangen ausgebildete Wärmetauscher 6, welche vom zweiten Wärmeträger durchströmt werden, der bei 4 mit der Temperatur 72 eintritt und bei 5 mit der Temperatur 73 austritt

In den Stufen befindet sich flüssiges und dampfförmiges Arbeitsmittel nebeneinander, wobei der Dampf im Sinne der erwähnten Reihenfolge und rlie Flüssigkeit im entgegengesetzten Sinne strömen.

Jede normale Stufe enthält eine Stute 7 eines nur schematisch dargestellten vielstufigen Verdichters sowie einen Wärmetauscher. Beispielsweise wird in der Stufe Fcer aus der Stufe E kommende Dampf des Ar beitsmkiels in der Verdichterstufe verdichtet und mit erhöhter Temperatur in die Kammer der Stufe F gedrückt, wo er dann an dem Wärmetauscher 6 teilweise kondensiert, der vom zweiten Wärmeträger durchströmt wird und sich oberhalb des Flüssigkeitsspiegels des Arbeitsmittels befindet Eine entsprechende Menge Flüssigkeit strömt dabei durch ein Rohr 8 von der Kammer der Stufe Fin die Kammer der Stufe Ezurück und wird in dieser plötzlich entspannt d. h. an Drosselöffnungen 9 vorgegebenen, insbesondere beschränkten

Querschnitts unter teilweiser Verdampfung versprüht

In entsprechender Weise enthält die lCammer der Stufe B einen Wärmetauscher 2 in Form einer Heizschlange, durch welche der erste Wärmeträger strömt um einen Teil des Arbeitsmittels zu verdampfen. Dieser Dar :pf wird mit dem aus der Kammer der Stufe A kommenden Dampf von der Verdichterstufe zwischen den Stufen B und C angesaugt. Eine entsprechende Menge Flüssigkeit kehrt von der Stufe Czur Stufe B zurück und wird dort entspannt und versprüht. Die Dampferzeu gung in der Kammer der Stufe B beruht auf der Ent spannung und auf der Erwärmung der Flüssigkeit durch den ersten Wärmeträger, welcher durch die Heizschlange des Wärmetauschers 2 strömt. Die Stufe E hat eine Kammer ohne Wärmetauscher.

In ihr befindet sich lediglich eine Entspann- oder Sprühvorrichtung für die aus der Stufe F kommende Flüssigkeit und überhitzter Dampf von der Stufe D.

Der erste Wärmeträger kann entsprechend der Temperatur, mit welcher er ankommt durch Ventile 10 in die Heizschlange des Wärmetauschers 2 derjenigen Stufe eingeführt werden, in der eine geeignete Temperatur herrscht. In entsprechender Weise wird der zweite Wärmeträger durch Ventile 11 in den Wärmetauscher 6 derjenigen Stuf? eingeführt, in der eine geeignete Tempe- ratur herrscht.

In F i g. 2 ist ein AusfUhrungsbeispiel für den Fall dargestellt, daß sich die Temperaturbereiche der beiden Wärmeträger überlappen. Einige Kammern, wie die der Stufe E, enthalten je-

6J weils zwei Wärmetauscher, von denen der eine zum Aufheizen des Arbeitsmittels dient, mindestens teilweise in das flüssige Arbeitsmittel eintauchen kann und vom ersten Wärmeträger durchströmt wird, während der an-

dere eine Kondensationsvorrichtung bildet, sich außerhalb des flüssigen Arbeitsmittels befindet und vom zweiten Wärmeträger durchströmt wird. Die Wärmeübertragung zwischen diesen beiden Wärmetauschern 2 und 6 erfolgt also unmittelbar durch Verdampfen bzw. Kondensation des in der Kammer der betreffenden Stufe vorhandenen Dampfes an der Oberfläche der jeweiligen Wärmetauscherschlange.

Eine Betrachtung der Stufe A zeigt, daß die Masse des flüssigen Arbeitsmittels, welche in diese Stufe aus der Kammer der Stufe B eintritt, gleich der Masse des dampfförmigen Arbeitsmittels ist, das die Stufe A an die Stufe B über deren Verdichtungsstufe abgibt. Daraus ergibt sich, daß der Austausch zwischen den Stufen B und C usw., also zwischen allen benachbarten Stufen. ebenfalls im Gleichgewicht steht.

In der Kammer der Stufe B findet eine Verdampfung unter der Wirkung des ersten Wärmeträger und der Entspannung bzw. dem Versprühen der von der Stufe C kommenden Flüssigkeit statt, so daß die an die Stufe C abgegebene Dampfmenge größer ist als diejenige, welche sie von der Stufe A empfängt. Analoge Überlegungen können für jede Stufe angestellt werden, und man kann daher die Zirkulation des Arbeitsmittels als eine Überlagerung von geschlossenen Kreisläufen mit maximalern Durchsatz im mittleren Bereich ansehen, wie es in F i g. 3 dargestellt ist, in der der Weg der Flüssigkeit mit ausgezogenen Linien und der Weg des Dampfes mit gestrichelten Linien dargestellt sind.

Aus den obigen Ausführungen ist ferner ersichtlich, daß der Betrieb der Einrichtung einfach gesteuert oder geregelt werden kann, indem man siuf den Durchsatz zwischen den Stufen durch Ventile einwirkt, die entweder in den öffnungen oder Leitungen, durch welche die Flüssigkeit von der einen in die andere Stufe strömt, oder in Reihe oder parallel zu den Verdichtungsstufen angeordnet sind.

Durch die Erfindung werden also eine vielstufige Verdichtungsvorrichtung und eine Reihe von Wärmetauschern so kombiniert, daß der Dampf eines kondensierbaren Arbeitsmittels von einem Wärmetauscher zum nächsten über eine Verdichtungsstufe transportiert wird, während das kondensierte Arbeitsmittel zweckmäßig unter plötzlichem Entspannen, Versprühen und Verdampfen zurücktransportiert wird. Ein abzukühlender Wärmeträger gibt in den Wärmetauschern seine Wärme an das kondensierbare Arbeitsmittel ab, so daß dieses nach und nach verdampft. Diese Einrichtung wird in der beschriebenen Weise durch einen wenigstens annähernd symmetrischen zweiten Teil ergänzt in welehern das kondensierbare Arbeitsmittel seine Kondensationswärme an einen zweiten Wärmeträger abgibt. Ein wichtiges Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Nutzung von Wärme, die mit niedriger Temperatur zur Verfugung steht z. B. Erdwärme.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Obertragen der Wärme von einem ersten Wärmeträger auf ein Arbeitsmittel und von diesem auf einen zweiten Wärmeträger, mit aufeinanderfolgenden, durch Verdichter verbundenen Stufen, in denen flüssiges Arbeitsmittel aus der Stufe höheren Drucks und höherer Temperatur der benachbarten Stufe niedrigen Drucks und niedriger Temperatur zugeführt und darin unter Abkühlung und teilweiser Verdampfung entspannt wird und dampfförmiges Arbeitsmittel aus der Stufe niedrigeren Drucks und niedrigerer Temperatur nach seiner Verdichtung der benachbarten Stufe höheren Drucks und höherer Temperatur in überhitztem Zustand zugeführt wird, wobei der erste Wärmeträger mehrere Stufen in der Richtung abnehmenden Drukkesdurchströmt, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Wärmeträger mehrere Stufen (z. B. F-J in F i g. 1) in der Richtung zunehmenden Drukkes durchströmt

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Wärmeträger in derjenigen Stufe eingeführt wird, in welcher eine Temperatur herrscht, die der des Wärmeträgers im Augenblick des Einführens am nächsten liegt

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Stufen (D. E, F in F i g. 2) von beiden Wärmeträgern durchströmt werden.

4. Einrichtung nach einerci der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß der zweite Wärmeträger über mit Vent.en (11) versehene Verzweigungsleitungen in eine von mehreren mit Hilfe der Ventile (11) auswählbaren Stufen einführbar ist

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß die Ventile (11) in Abhängigkeit von der Wärmeträgertemperatur gesteuert werden.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Wärmetauscher (2) für den ersten Wärmeträger in flüssiges Arbeitsmittel eintauchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscher (6) für den zweiten Wärmeträger vom Dampf des Arbeitsmittels umgeben sind.