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Wärmemotorpumpe
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Die Erfindung betrifft eine Wärmemotorpumpe mit der der Fremdenergiebedarf,
der in der Anmeldung P 2620 395,2 genannten Wärmerückgewinnungsanlage, vornehmlich
während der Heizsaison gemindert werden soll. Eine Minderung des Fremdenergiebedarfs
wird erreicht, indem die Abgase von Zentralheizungskesseln nit fossilen Brennstoffen
neben einer thermischen Nutzung aucn einer mechanischen nutzung zugeführt werden.
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Außerdem soll durch diese Erfindung eine zusätzliche Umweltentlastung
beim Betreiber von Zentralheizungskesseln mit fossilen Brennstoffen erzielbar sowie
erzielt werden.
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Eine Wärmemotorpumpe mit der der Energiegehalt der Abgase von Zentralheizungskesseln
mit fossilen Brennstoffen thermisch und mechanisch nutzbar ist, kann u.a. mit Hilfe
von einem oder auch mehreren Wärmetauschern mit der Abgasleitung von Zentralheizungskesseln
für fossilen Brennstoff, sowie mit einem Elektromotto fest oder auch veränderlich
gekuppelt werden.
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Beim Be treiben von Wärmerückgewinnungsanlagen hat man Interesse daran,
daB die zugeführte srendenergiemenge so klein wie möglich und die gewonnene nutzbare
Energiemenge so groß wie möglich ist. Dieses insbesondere unter dem Gesichtspunkt
der hnergiedarbietung vornehmlich während der Hauptbelastungszeit wie der Heizsaison.
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weiterhin besteht Interesse, daß beim Betreiben von Zentralheizungskesseln
mit fossilen Brennstoffen die Umweltbelastung bei einem optimalen Wirkungsgrad so
klein wie möglich gehalten wird.
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Die als Erfindung genannte Wärmemotorpumpe bestehend aus einem Antriebsaggregat
und Kompressor arbeitet nc dem Prinzip einer thermodynamischen Antriebsmaschine,
sowie einer Wärmepumpe, Zum vollen, oder auch teilweisen Antrieb der Wärmemotorpumpe
soll der thermische Energiegehalt der Abgase eines Zentrahlzungskessels mit fossilen
Brennstoffen nutzbar gemacht werden. Indem innerhalb von einem oder auch mehrere
geschlossenen Kreisläufen, Medium durch Kontakt, mittels einem oder auch mehreren
Wärmetauschern mit den Abgasen eines Zentralheizungskessels partiell über den Siedepunkt
erhitzt wird und die expansiven Kräfte des erhitzten Mediums zum Antreiben einer
Wärmepumpe genutzt werden.
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Die nutzbare thermodynamische Antriebskraft des expandierenden Mediums
innerhalb des geschlossenen Kreislaufs oder Kreisläufe wird durch partielles Abkühlen
unter den Siedepunkt, nach Austritt aus dem Antriebsaggregat der Wärmemotorpumpe
wesentlich verstärkt.
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Zum Abkühlen wird hierzu neben der direkten, nutzbaren Wärmeabgase,
insbesondere der Kühleffekt eines Warmepumpenkreislaufs, der mit einem Kompressor
angetrieben wird, genutzt.
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Eine Umweltentlastung durch Minderung der Stickoxidbildung kann erzielt
werden, indem die Verbrennungstemperatur im Verbrennungsraum eines Zentralheizungskessels
mit fossilem Brennstoff gesenkt, und die Verweildauer der Verbrennungsgase im Verbrennungsraum
gekürzt wird.
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Stikoxide werden gebildet durch Reaktion von Sauerstoff mit Stickstoff
unter hoher Temperatureinwirkung, wobei die Reaktionszeit,in der ein Gasgemisch
von Sauer-und Stickstoff einer hohen Temperatur ausgesetzt ist,eine wesentliche
Rolle spielt.
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Sauer-und Stickstoff ist in fossilen Brennstoffen enthalten, und wird
außerdem dem Verbrennungsraum von Zentralheizungakesseln mit der atmosphärischen
Luft zum Verbrennungsprozeß zugeführt;. Die Absenkung der Temperatur in Feuerungsraum
eines Zentralheizungskessels mit fossilem Brennstoff und die Iliirzung der Verweildauer
der Verbrennungsgase im Verbrennungsraum des Zentralheizungskessels hat einen beachtlichen
Abfall des Kessebvirkungsgrades, bei der Umwandlung von fossilem Brennstoff ic nutzbare
thermische Energie durch erhöhte Abgastemperatur zur Folge.
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Die erhöhte Abgastemperatur kann mit der Wärmemotorpumpe mechanisch
und thermisch so nutzbar gemacht werden, daß das gesamte Energieangebot von fossilem
Brennstoff in einem Zentralheizungskessel mit nachgeschalteter Wärmerückgewinnungsanlage
incl.Wärmemotorpumpe bei einer beachtlichen Minderung der Stickoxidbildung mit einem
minimalen Fremdenergieaufwand zu annähernd 100 % bezogen auf den oberen Heizwert,
ausgenutzt werden.
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Eine weitere Umweltentlastung beim Betreiben von Zentralheizungakesseln
mit fossilen Brennstoffen wird erreicht, indem in einem Wärmetauscher, durch den
die Abgase des Zentralheizungskessels geführt werden, eine Abgaswaschanlage vorgesehen
wird.
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Durch die Abgaswasche werden die Schwebestoffe wie Ruß, Staub, Asche
u.s.w. aus den Abgasen von Zentralheizungakesseln mit fossilen Brennstoffen, entfernt.
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Die Abgaswäsche hat einen überhöhten Feuchtigkeitsgehalt der Abgase,
partiell innerhalb des Vlärmetauschers der Wärmerückgewinnungsanlage, zur Folge.
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Der hohe Feuchtigkeitsgehalt wird innerhalb des Wärmetauschers durch
AbKühlung der Abgase bis annähernd Oo C, wodurch der Taupunkt unterschritten wird,
durch Ausfällung beseitigt. Somit können diese Abgase durch übliche amine, ohne
deren Veränderung, abgeführt werden.
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Ein Atisfihrungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden, an Hand der
Zeichnung in Fig.1 beschrieben, welche in nicht maßstabgerechter Darstellung eine
Warmemotorpumpe mit einer Wärmerückgewinnungsanlage und Zentralheizungskessel zeigt.
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In Fig.1 wird ein Zentralheizungskessel mit der Ziffer 1 gezeigt,
dessen Abgase mit dem Gebläse 2, über den mit 3 bezeichneten Wärmetauscher, der
vorzugsweise aus nichtrostendem Stahl hergestellt wird, abgeführt werden.
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Im Teil 4 des Wärmetauscners 3 wird den Abgasen durch Kontakt mit
dem Siedebehälter 40 die Energie bis auf ca. + 1000 C entnommen. Das Medium in dem
Mediumkreislauf 5, wird im folgenden mit der Ziffer 5 bezeichnet.
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Durch die Wärmeabgabe an den Siedebehälters 40 wird das Medium 5 in
dem Siedebehälter 40 über den Siedepunkt erhitzt und dem Antriebsaggregat 6, das
vornehmlich zum Antreiben der Wärmemotorpumpe dient, unter expansivem Druck zugeführt.
Als Antriebsaggregat 6 wird vorzugsweise ein Aggregat vorgeschlagen,das auf dem
Prinzip eines Wankelmotors arbeitet. Nach Austritt aus dem Antriebsaggregat 6 wird
das Medium 5 dem Wärmetauscher 7 zugeführt. Der Wärmetauscher 7 hat in dem Behälter
8 Kontakt mit dem Medium des Heizungsrücklaufs. Das Medium 5 wird hier bis auf die
Temperatur des Heizungsrücklaufs abgekühlt, wodurch es Energie für Heizungazwecke
abgibt und teilweise entspannt wird. Anschließend wird das Medium 5 durchden Wärmetauscher
9, der Kontakt mit dem Medium der Nutzheißwasservorhaltung in dem Behälter 10 hat,geführt.
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Das Medium 5 wird hier auf die Heißwassertemperatur von ca. 60°C gekühlt,
gibt hierbei Energie zur Heißwasserbereitung ab und wird teilweise entspannt.
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Danach wird das Kedium 5 durch den Behälter 11, in dem sich der Verdampfer
12, des zweiten Mediumkreislaufs 17 befindet,geführt. Durch Kontakt des Mediums
5 mit dem Verdampfer 12, der vornehmlich während der Heizsaison durch fehlende,
nutzbare Außentemperatur wie Sonnenstrahlung etc. ein niedriges lemperaturniveau
um ca.- 2° C hat, abgekühlt und entspannt, wodurch vornehmlich im Bereich 14 des
Mediumkreislaufs 5 bis zu dem Siedebehälter 40 eine Unterdruck-Zone entsteht, die
sich durch das Rückschlagventil 15, ausschließlich in Pfailrichtung 20, auswirkt.
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Das medium 5 fließt danach mit einer Temperatur von ca. 0° C völlig
entspannt über die Leitung 14 durch
das Rückschlagventil 15 zu dem
Siedebehälter 40 zurück und wird hier während des Heizungsbetriebs erneut erhitzt.
Durch ein Temperaturgefälle innerhalb des geschlossenen },Iediunkreislaufs 5 von
ca. + 3000 C ist eine Umwandlung von thermischer in mechanischer Energie mit einem
Wirkungsgrad von mindestens 10 % möglich.
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Der Mediumkreislauf 5 wird außerhalb der Betriebszeit des Zentralheizungskessels
mit dem Ventil 28 kurzgeschlossen, wodurch das Antriebsaggregat 6 in dieser Phase
einer geminderten mechanischen Antriebsleistung bedarf.
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Im Teil 16 des Wärmetauschers 3 wird dem Abgas, sowie dem Innen- und
zeitweise dem Außenluftstrom, der dem Wärmetauscher 3 über die Röhre 45 zugeführt
wird, mit dem Medium im Verdampfer 13 die Energie bis annähernd 0° C entnommen.
Der Temperaturbereich, indem der Innen- und Außenluftstrom genutzt werden soll,
ist mit den thermisch steuerbaren Klappen 49 u. 50 bestimmbar. Im weiteren wird
das Medium im Kreislauf 17 mit der Ziffer 17 bezeichnet. Das Medium 17 nimmt in
dem Verdampfer 13 Energie auf und wird anschließend von dem Wärmemotorpumpenteil
18, welches vornehmlich als Kompresser dient, angesaugt und in dem Kondensator 19,
der Kontakt mit der Nutzheißwasservorhaltung 10 hat verdichtet, wodurch das Medium
17 Energie an das Nutzheißwasser abgibt. Nach Austritt aus dem Ventil 21 wird das
Medium 17 entspannt und strömt nun mit einer Temperatur von ca. - 2° C durch den
Verdampfer 21, wobei das Medium 17 das Energieangebot des Behälters 23 bis annähernd
0° C aufnimmt. Das Energieangebot des Behälters 23 wird diesem mit dem Energiekreislauf
24, der vorzugsweise das Energieangebot der Sonne im Dachbereich eines Gebäudes,
vornehmlich im Zeitraum April bis September aufnimmt, aufgeführt. Hiernach fließt
das Medium 17 über die Leitung 25 durch den Verdampfer 12 der in dem Behälter 11
Kontakt mit dem Mediumkreislauf 5 hat. Das Medium 17 kühlt hierbei das Medium 5
bis auf ca. 0° C ab und nimmt hier vornehmlich während dem Heizbetrieb des Zentralheizungskessels
Energie auf. Anschließend strömt das Medium 17 über die Leitung 26 durch den Verdampfer
27, der Kontakt mit dem Waschkreislauf 29 hat, welcher zum Waschen der Abgase des
Zentralheizungskessel3, zum Reinigen des Wärmetauschers 3, sowie zum Abführen des
Kondensats in den Mediumbehälter 36 dient und kühlt das Medium des Waschkreislaufs
29 bis auf ca. Oo C ab. Während dieser Phase nimmt das Medium 17 Energie vom Waschkreislauf
29 auf. Das Medium 17 strömt über die Leitung 30, durch das Rückschlagventil 51
in den Verdampfer 13, nimmt hier erneut Energie auf, aus den Abgasen,de Innen- und
zeitweist der Außenluft und wird von dem Wärmemotorpumpenteil 18 erneut angesaugt
und im Kondensator 19
zur Energieabgabe kompremiert. Die Wärmemotorpumpe
ist mit dem Elektromotor 41 durch die Kupplung 42 fest, oder auch veränderlich verbunden.
Der Elektromotor dient außerhalb des Zentralheizungskesselbetriebs ausschließlich
als Antrieb der Wärmemotorpumpe und während des Zentralheizungkesselbetriebs teilweise
als Antrieb oder auch bis zu einer bestimmten Drehzahl zur Drehzahlstabilisierung
der Wärmemotorpumpe.
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Bei einer Überschreitung der Motordrehzahl übernimmt der Elektromotor
die Funktion eines Generators und erzeugt, im Verhältnis der überchüssigen, mechanischen
Antriebsleistung, Strom.
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Eine Umweltentlastung, wie die Minderung der Stickoxidbildung beim
Betreiben von Zentralheizungskesseln wird bei annähernd 100 % Nutzung der Energie
des fossilen Brennstoffs, bezogen auf den oberen Heizwert erreicht, indem die Energieumwandlung
teilweise von dem Zentralheizungskessel 1 in den Wärmetauscher 3 der Wärmerückgewinnungsanalge
incl. Wärmemotorpumpe verlagert wird. Die Verlagerung der Energiewandlung ist die
Folge der Absenkung der Temperatur in dem Verbrernungsraum des Zentralheisungskessels
1, sowie der Kürzung der Verweildauer der Verbrennungsgase im Verbrennungsraum des
Zentralheizungskessels 1.
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Eine weitere Entlastung der Umwelt durch die Beseitigung der Schwebestoffe
wie Ruß, Asche und Staub, wird durch das Waschen der Abgase des Zentralheizungskessels
1 mit fossilen Brennstoffen erzielt.
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Das Waschen der Abgase wird möglich, indem der genannte Kondensatkreislauf
in der Anmelung P 26 20 395. 2 durch die Sprühdüsen 33 mit der Zuleitung 34 und
durch das Umschaltventil 35 erweitert wird.
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Der Waschkreislauf 29 wird während der Betriebszeit des Zentralheizungskessels
1 zum Waschen der Abgase mit dem Mediumbehälter 36, der außer zur Aufnahme des Kondensats
auch zur Vorrathaltung des Waschmediums dient, der Umwälzpumpe 37, der Leitung 47,
durch das Umschaltventiel 35, durch die Leitung 34, die Sprühdüsen 33, dem Wär1etauscherteil
4, der Außlaßöffnung 38 und der Leitung 43 gebildet.
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Der Waschkreislauf zum Reinigen des Wärmetauschers 3 wird während
der Standzeit des Zentralheizungskessels 1 durch den Mediumbehälter 36, der Umwälzpumpe
37, der Leitung 47, das Umschaltventil 35, der Leitung 46 der Sprühdüsen 39, der
Wärmetauscherteile 4 u. 16, der Außlaßöffnung 38 und der Leitung 43 gebildet.
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Das waschen der Abgase geschieht wie folgt: Der Mediumbehälter 36
wird bis zur Hälfte mit Waschmedium gefüllt. Die Umwälzpumpe 37 fördert das Waschmedium
über die Leitung 47 durch das Umschaltventil 35
das während der
Betriebszeit des Zentralheizungskessels1 den Leitungsweg 34 freigibt, durch die
Düsen 33 in den mittleren Teil des Wärmetauschers 3. Hier wird das Abgas des Zentralheizungskessels
1 mit dem Mediumsprühregen der durch die Düsen 33 in der Wärmetauscher 3 gesprüht
wird, gewaschen, wobei aus dem Abgas sämtliche Schwebestoffe wie Fu?, Staub, Asche
u.s.w. entfernt werden und mit dem Waschkreislauf 29 durch die öffnung 38 über die
Leitung 43, durch den Verdampfer 27, über den Waschmediumfilter 44 in den Mediumbehälter
36 gefördert wird.
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In den' Verdampfer 27 wird dem Mediumskreislauf 29 die Energie mit
dem Mediumkreislauf 17 bis ca. 0° C entnommen. Während der Standzeit des Zentralheizungskessels
1 öffnet das Umschaltventil 35 den Leistungsweg 46.
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In dieser Phase wird das Waschmedium durch die Waschdüsen 39 zum.
Reinigen in die Wärmetauscherteile 4 und 16 gesprüht. Das Medium nimmt hier die
Ablagerungstoffe auf und fließt durch die Öffnung 38, durch die Leitung 43 durch
den Verdampfer 27, durch den Filter 44, in den Mediumbehälter 36 zurück. In dem
Filter 44 werden vornehmlich die Ausgewaschenen Schwebestoffe, und im Behälter 36
außer dem Waschmedium das ausgfällte Kondensat mit Schwefelgehalt gelagert und über
das Ventil 48 einer Abklärung zugeführt.
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Beim Waschen de Abgase des Zentralheizungskesseln 1 ir dem Wärmetauscherteil
4 nimmt das Abgas einen erhöhten Feuchtigkeitsgehalt auf. Der erhöhte Feuchtigkeitsgehalt
wird durch das Abkühlen der Abgase in dem Wärmetauscherteil 16 durch Unterschreitung
des Taupunktes mit dem Schwefelgehalt der abgase ausgefällt und dem Waschmediumkreislauf
29 zugeführt.