DE2745127A1

DE2745127A1 - Verfahren zum antrieb einer waermepumpe oder kaeltemaschine

Info

Publication number: DE2745127A1
Application number: DE19772745127
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dr Ing Bauer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-10-07
Filing date: 1977-10-07
Publication date: 1979-04-12

Description

Verfahren zum Antrieb einer @ä@mepumpe oder Kältemaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Antrieb einer Wärmepumpe oder Kältemaschine, bei dem Wärme bzw. deren Arbeitsfähigkeit eingesetzt wird, um mit Hilfe eines Treibmittels, das zunächst durch diese Wärme in einem Wärmeübertrager aufgeheizt wird, den Kältemitteldampf aus dem Verdampfe@ anzusaugen und zu komprimieren.
Mit einer Wärmepumpe läßt sich Abwärme (oder Wärme aus der Umgebung) auf ein höheres Temperaturniveau heben und somit für Heizzwecke ausnutzen. Mit einer Kältmaschine kann man dagegen Wärme auf das Temperaturniveau der Umgebung heben, um einen Kühl- bzw.
Abkühlungseffekt zu erreichen. Wärmepumpen und Kältemaschinen unterscheiden sich also nicht verfahrensmäßig, sondern nur hinsichtlich der Zielsetzung bzw. des Temperaturbereichs. In beiden Fällen ist Antriebsenergie, z.3. In de Form von elektrischer Energie oder auch in Form von Wärme ö'zw. Ab:iärme erforderlich, genauer gesagt, es ist Arbeitsfähigkeit erforderlich. (Arbeitsfähigkeit ist der bei einer Energieumwandlung bis zum Gleichgewicht mit der Umgebung höchstens in Arbeit umwandelbare Anteil der Energie.) 3ekannt ist eine Wärmepumpe oder Kältemaschine nach Bild 1, bei der ein Stoffstrom in dem Wärmeübertrager a aufgeheizt wird und dann als Treibmittel dient, um in dem Strahlkompressor k über direkten Impulsaustausch Kältemitteldampf aus dem Verdampfer f anzusaugen und auf den Druck im Kondensator c zu komprimieren. Der Vorgang in dem Strahlkompressor ist - thermodynamisch gesehen - mit starten Irreversibilitäten durch Vermischung, Verdichtungsstöße und Wandreibung verbunden, also mit einem hohen Verlust an Arbeitsfähigkeit.
Letzteres bedeutet wiederum eInen entsprechend höheren Treibmittelbedarf bzw. Wärmebedarf für den Vorgang im Wärmeübertrager a Das hat schließlich - bei einem bestimmten gewünschten Wärmeumsatz im Verdamprer f - einen größeren Kühlmittelbedarf für den Kondensator c , w.e auch größere Wärmeübertrager a und e zur Folge.
Trotz gewisser Verbesserungsmöglichkeiten lassen sich diese Nachteile einer Wärmepumpe oder Kältemaschine nach Bild 1 nur sehr begrenzt einschräken, siehe die Veröffentlichungen: B.Bauer: Zur Berechnung von Dampfstrahlverdichtern unter Berücksichtigung der realen Zustandseigenschaften des Strömungsmodiums.
Ki KlIma+Kältelngenieur 11/1976 B.Bauer: Vergleich der Strahlkälteanlage und der Abso:'ptionskälteanlage In thermodynamischer HInsIcht.
Ki Klima+Kälteingenieur 1/1977 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Verlust an Atbeitsfähigkeit infolge Irreversibilitäten beim Ansaugen und Komprimieren des Kältemitteldampfes aus dem Verdampfer einer mit Wärme angetriebenen Wärmepumpe oder Kältemaschine zu verringern, urn den Wärmebedarf ftlr den Antrieb, den Kondensatorkühlmittelbedarf und den Aurwand fUr die WärmeUbertrager zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß das Treibmittel einer Expansionsmaschine zugeleitet wird, die mechanisch mit einer Kompresslonsmaschine gekoppelt ist, so daß Uber indirekten Impulsaustausch mit Hilfe bewegter Masehinenteile der Kältemitteldampf aus dem Verdampfer angesaugt und auf den Druck Im Kondensator komprimiert wird.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß sich bei einem sehr geringen Bedarf an elektrischer Energie (nämlich zum Antrieb der Flüssigkeitspumpe!) Wärme bzw.
Abwärme effektiver (als bisher bei Strahlkompressoranlagen und Absorptionsanlagen) zum Antrieb von Wärmepumpen oder Kältemaschinen einsetzen läßt. Damit erden zugleich der KUhlmittelbedarf für den Kondensator sowie Kosten, Gewicht und Raumbedarf für die Wärmeübertrager herabgesetzt. Der Bedarf an elektrischer Energie ist wesentlich geringer als bei den herkömmlichen Anlagen mit mechanischem Kompressor. Soll eine Wärmepumpe nach diesem herkömmlichen Prinzlp im Zusammenhang mlt der Raumheizung nur in der Ubergangszeit oder neben einer konventionellen Heizungsanlage eingesetzt werden, ist zudem eine zusätzliche Anlage mit dem entsprechenden Bauaufwand erforderlich. Demgegenüber kommt man nach dem hier vorgeschlagenen Verfahren In diesen Fällen mit einer einzigen Anlage aus.
Ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens, das im Bild 2 dargestellt ist, wird im folgenden nähel erläutert.
a bezeichnet den Wärmeübert@age@ zu@ Beheizung des Treibmittels de@ Expansionsmaschine b . De@ Buchstabe @ bezeichnet den Kondensator, d die Flüssigkeitspumpe, e das Drosselventil, f den Verdampfe@, g diee Kompressionsmaschine, h das wärmeaufnehmende Medium, i und j die wärmeabg@@benden Medien. (Alle Benennungen sind so ge@ählt, daß sie gleichermaßen für die Wärmepumpe und für die Kältemaschine gelten.) Be entspechender Ausführung des Appa-@ats a als St@ahlungsenergiekollektor und -absorber kann auch Absorptions ärme, z.B die der Sonnenstrahlung, zur Beheizung des Treibmittels ausgenutzt werden.
Für diese Darstellung wurde der Fall gewählt, daß das Arbeitsmedium in zwei strömungsmäßig miteinander verbundenen Kreisprozessen geführt wi@d: 1) Antriebskreislauf durch Wärmeübertrager as , Expansionsmaschine b , Kondensats c , Pumpe d 2) Kreislauf durch Kondensator r , Drosselventil e , Verdampfer f , Kompressionsmaschine g .
Im Wärmeübertrager a wird das Arbeitsmedium bis zu dem gewünschten stand aufgeheizt und als FlUsslgkeit oder Sattdampf (unter Umständen auch als Naßdampf oder überhitzter Dampf) der Expansionsmaschine b zugeleitet. Nach Expansion und Arbeitsleistung zum Antrieb der Kompressionsmaschine g wird es im Kondensator e verflüssigt und dann mit Hilfe der Pumpe d unter vergleichsweise geringem Bedarf an elektrischer Energie wIeder auf den Druck im Wärmeübertrager a zurückgebracht. Im Kondensator 2 erfolgt zugleich die Verflüssigung des durch die Kompressionsmaschine g aus dem Verdampfer f angesaugten Dampfes. (Der übliche Flüssigkeitsabscheider wurde in der Zeichnung weggelassen.) Hinter dem Kondensator wird die Flüssigkeitsmenge wieder aufgeteilt, wobei der eine Teil durch die Pumpe d angesaugt wird und der andere Teil dem Drosselventil e zuströmt. Expansion und Kompression erfolgen bei dIesem Ausführungsbeispiel bis auf den gleichen Druck. Im Ubrigen sind verschIedene Konstruktionen dieser Maschinen und ihrer mechanischen Kopplung denkbar, woraufhier noch nicht näher eingegangen weiden soll. Eine zweite Ausführungsform des Verfahrens besteht darin, daß die beiden genannten Kreisläufe voneinander getrennt sind, und zwar in dem Sinne, daß die Kondensation der beiden Dampfst-wöme getrennt jund - unter Umständen - bei unterschiedlichen Drücken erfolgt. Auf diese Weise können in beiden Kreisläufen unterschiedliche Arbeitsmedien verwendet werden.
Schließlich ist noch eine dritte Ausführungsform des Veifahrens denkbar In der Weise, daß der eine Strom oder beide Ströme nicht im Kreislauf, sondern Im offenen Durchlauf durch die Anlage hindurchgeführt werden, z.B. bei der Wasserdestillation oder bei Eindampf- oder Kristallisationsprozessen in der chemischen Verfahrenstechnik.
4 Patentansprtlche

Claims

Patentansprüche Verfahren zum Antrieb einer Wärmepumpe oder Kältemaschine, bei dem Wärme bzw. deren Arbeitsfähigkeit eingesetzt wird, um mit Hilfe eines Treibmittels, das zunächst durch diese Wärme in einem Wärmeübertrager aufgeheizt wird, den Kältemitteldampf aus dem Vordampfes anzusaugen und zu komprimieren, dadurch gekennzeichnet, daß das Treibmittel einer Lxpanslonsmaschine (b) zugeleitet wird, die mechanisch mit eine Kompressionsmaschine (g) gekoppelt ist, so daß über indirekten Impulsaustausch mit Hilfe bewegter Maschinentelle de; Kältemitteldampf aus dem Verdampfer (f) angesaugt und auf den Druck im Kondensator (c) komprimiert wird.
2. Verfahren zum Antrieb einer Wärmepumpe oder Kältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Treibmittel, das der Expansionsmaschine (b) als Flüssikeit, Naßdampf, Sattdampf oder überhitzter Dampf zugeleitet wird, und das Kältemittel von de glei-hen Art sind und in ziel strömungsmäßig miteinander verbundenen Kreisprozessen mit gemeinsamer Kondensation geführt werden.
3. Verfahren zum Antrieb einer Wärmepumpe oder Kältemaschine navh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Treibmittel und das Kältemittel in zwei strömungsmäßig getrennten Kreisprozessen mit getrennter Kondensation geführt werden, wodurch es möglich ist, unterschiedliche Arbeitsmedien bei unterschiedlichen Kondensationsdrücken anzu enden.
4. Verfahren zum Antrieb einer Wärmepumpe oder Kältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Treibmittel und(oder) das Kältemittel nicht im Kreislauf, sondern im offenen Durchlauf durch die Anlage hindurchgeführt werden.