DE2806729A1

DE2806729A1 - Waermepumpenanordnung

Info

Publication number: DE2806729A1
Application number: DE19782806729
Authority: DE
Inventors: Winfried Dr Bernhardt; Edgard Ing Grad Grundmann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1978-02-17
Filing date: 1978-02-17
Publication date: 1979-08-23
Also published as: US4269040A

Description

VOLKSWAGENWERK

AKTIENGESELLSCHAFT

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K 2486/1702-pt-hu-sa

Wärmepumpenanordnung

Die Erfindung "betrifft eine Wärmepumpenanordnung der im Oberbegriff des Hauptanspruchs angegebenen Art. Derartige Wärmepumpenanordnungen dienen, ganz allgemein gesprochen, zur Erzielung einer Nutztemperatur aus einer niedriger liegenden Temperaturdifferenz.

Insbesondere dann, wenn die genannte Temperaturdifferenz klein ist, ist man daran interessiert, mit möglichst geringer Zufuhr äußerer Energie die Värmepumpenanordnung betreiben zu können. Bei bekannten Wärmepumpenanordnungen wird der Kompressor durch äußere Energiezufuhr betrieben, beispielsweise durch eine Brennkraftmaschine oder einen Elektromotor.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmepumpenanordnung gemäß dem Oberbegriff des HauptanSpruchs so auszubilden, daß sie zu ihrem Betrieb keine zusätzliche äußere Energiezufuhr erfordert. Damit ist verständlicherweise nicht eine Energiezufuhr durch die eingangs erwähnte Temperaturdifferenz gemeint, sondern zusätzliche mechanische Antriebsenergie. Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist gekennzeichnet durch die Merkmale des Hauptanspruchs. "Vor-

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Vorsitzender Vorstand: Ton! Schmucker, Vorsitzender · Horst Backsmann · Pro(. Dr. techn. Ernst Fiale ■ Dr. jur. Peter Frerk

des Aufsichtsrats: Günter Hartwich -Horst Münzner - Dr. rer. pol. Werner P.Schmidt Gottlieb M. Strobl · Prot. Dr. rer. pol. Friedrich Thomee

Hans Birnbaum Sitz der Gesellschaft: Wolfsburg Amtsgericht Wollsburg HRB

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teilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Uhteransprüche.

Bei der Erfindung wird also das Wärmeträgermedium selbst, "beispielsweise ein übliches Kältemittel, wie ein halogenisierter Kohlenwasserstoff, hinter dem Verdampfer, d.h. im dampfförmigen Zustand, in zwei Teilströme aufgeteilt, von denen ein erster dem Expander, diesen "bei der Expansion antreibend, zugeführt wird, während der zweite Teilstrom in den Kompressor gelangt. Expander, Kompressor und Pumpe sind antriebsmäßig miteinander verbunden, so daß alle drei Einrichtungen letztlich durch den ersten Teilstrom des Wärmeträgermediums angetrieben werden. Eine zusätzliche Zufuhr von Bewegungsenergie erübrigt sich also.

Die im Expander aus dem ersten Teilstrom des in Dampfform zugeführten Wärmeträgermediumsgewonnene mechanische Energie muß also - abgesehen von Eeibungs- und Wärmeübertragungsverlusten - gleich der Summe der für die Verdichtung des zweiten Teilstroms im Kompressor erforderlichen Energie sowie der für den Antrieb der Pumpe dieser zuzuführenden Energie sein. Dabei ist die für den Kompressor erforderliche Energie letztlich abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Kondensator, an dem die Hutzwärme abgegriffen wird, und dem Verdampfer, während die Größe der Antriebsenergie für die Pumpe im wesentlichen durch die Druckdifferenz zwischen Verdampfer und zweitem Kondensator bestimmt ist.

Grundsätzlich ist es möglich, sowohl den Expander als auch den Kompressor als Kolben-Zylinder-Anordnungen auszubilden. Im Hinblick auf die angegebene antriebsmäßige Kopplung auch mit der Pumpe sind jedoch Ausbildungen der Erfindung gemäß den Ansprüchen 2 und 3 vorteilhafter, bei denen von vornherein Expander und Kompressor Drehbewegungen ausführen, die beispielsweise über eine auf einer gemeinsamen Welle von Expander und Kompressor angeordnete Nockenscheibe in Antriebsbewegungen für die Pumpe umgesetzt werden. Entsprechende Ex-

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pander und Kompressoren können Turbinen enthalten; besonders zweckmäßig ist jedoch die Verwendung eines Schraubenexpanders und eines Schraubenkompressors, da diese auch "bei nicht konstanten Betriebsbedingungen hohe Druckdifferenzen zu erzeugen gestatten.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren erläutert, von denen Figur 1 schematisch die Anordnung als solche, dagegen Figur 2 ein die Auslegung erläuterndes Diagramm wiedergibt.

Betrachtet man zunächst' Figur 1, so sind der Expander 1 und der Kompressor 2 für das aus dem Verdampfer 3 zugeführte und demgemäß dampfförmige Wärmeträgermedium als Schraubenexpander bzw. Schraubenkompressor ausgebildet. Derartige Anordnungen sind für sich bekannt; siehe die US-PS 3 630 040, F 25e 9/02„ Nach Passieren des Absperrventils 4 wird das dampfförmige Wärmeträgermedium_s wie durch die Pfeile angedeutet, in einen ersten Teilstrom 5 und einen zweiten Teilstrom 6 aufgespalten, von denen der erste Teilstrom 5 dem Expander 1 zugeführt wird und diesen antreibt. Expander 1 und Kompressor 2 sind über die beiden Wellen 7 und 8 im Sinne der Übertragung von Antriebsbewegungen gekoppelt. Auf der Welle 8 sitzt der Hocken 9> der Drehbewegungen der Welle 8 in Antriebsbewegungen der bei 10 angedeuteten Pumpe umsetzt. Demgemäß treibt der erste Teilstrom 5 cLes Wärmeträgermediums also sowohl den Expander 1 als auch den Kompressor 2 und die Pumpe 10 für dasjenige Wärmeträgermedium an, das im flüssigen Zustand über die Rückführungsleitung 11 wieder dem Verdamp fer 3 zugeführt werden muß.

Das im Kompressor 2 komprimierte Wärmeträgermedium, also letztlich der zweite Teilstrom 6 desselben, gelangt in den ersten Kondensator 12, der zum Abgriff von Efutzwärme als Wärmetauscher ausgerüstet sein kann, und dann über die Leitung 13 und das Einspritzventil I4

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im flüssigen Zustand zum Eingang des Verdampfers 3 zurück.

Statt eines Einspritzventils kann auch jede andere Einrichtung Einsatz finden, die geeignet ist, die Druckdifferenz zwischen erstem Kondensator 12 und. Verdampfer 3 zu wahren.

Die Pumpe 10 dient zur Rückführung des im zweiten Kondensator 15 wieder verflüssigten ersten Teilstroms 5 des Wärmeträgermediums zum Eingang des Verdampfers 3·

Betrachtet man nochmals die Konstruktion von Expander, Kompressor und. Pumpe, so enthalten sie ein gemeinsames Gehäuse 16, dessen Abdichtung insofern besonders einfach ist, als keine beweglichen Teile gegen das Äußere abgedichtet zu werden brauchen.

In dem Diagramm nach Figur 2 ist der Verlauf des Drucks ρ des Wärmeträgermediums über der Enthalpie h aufgetragen. Die untere viereckige Kurve beschreibt das Verhalten des ersten Teilstroms 5» der also zum Antrieb des Expanders 1 dient, während die obere Viereckkurve das Verhalten des zweiten Teilstroms 6 darstellt. In Klammern sind die in Figur 1 verwendeten Bezugszeichen derjenigen Bestandteile der Anordnung angegeben, die dem daneben liegenden Kurvenpunkt zugeordnet sind. Die Kurven werden im Sinne der Pfeile durchlaufen. Mit p1, p2 und p3 bzw. ti, t2 und t3 sind die Druck- bzw. Temperaturwerte des Wärmeträgermediums im zweiten Kondensator 15» im Verdampfer 2 bzw. im ersten Kondensator 12 bezeichnet; Druck und Temperatur ändern sich also einsinnig in dieser Reihenfolge. Eingezeichnet ist ferner die Enthalpiedifferenz Δ h, die ein Maß für die der Flüssigkeitspumpe 10 zuzuführende Energie ist.

Die Aufteilung des Wärmeträgermediums in die beiden Ströme 5 und. 6 sowie die Auslegung insbesondere von Expander, Kompressor und Pumpe

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muß also so getroffen sein, daß die Enthalpiedifferenz zwischen den Diagrammpunkten (3) und (15) gleich der Enthalpiedifferenz zwischen den Diagrammpunkten (3) und (12) zuzüglich der Enthalpiedifferenz Δη ist, wobei ein entsprechender Zuschlag für Verluste gemacht werden muß. Die der Pumpe 10 zuzuführende Energie, d.h. die Enthalpiedifferenz Δ h, ist unabhängig von der Differenz zwischen den Drükken p1 und p2, da die Pumpe das flüssige Arbeitsträgermedium in der Eückleitung 11 vom Druck p1 im zweiten Kondensator 1-5 auf den Druck p2 im Verdampfer 3 bringen muß.

Unter Benutzung des Diagramms nach Figur 2 läßt sich die Arbeitsweise der gesamten Anordnung also zusammengefaßt wie folgt beschreiben:

Im Verdampfer 3 wird durch Wärmezufuhr das Wärmeträgermedium, z„B. ein halogenisierter Kohlenwasserstoff oder eine andere niedrig siedende Flüssigkeit, verdampft, so daß sie die Temperatur t2 beim Druck p2 aufweist. Der erste Teilstrom 5 expandiert im Expander 1, treibt diesen sowie den Kompressor 2 und die Pumpe 10 an und gelangt in den zweiten Kondensator 1, der auch als Kältequelle bezeichnet werden kann. Dort nimmt das Wärmeträgermedium die Temperatur ti und den Druck p1 an. Die Pumpe 10 befördert das nunmehr wieder flüssige Wärmeträgermedium aus dem zweiten Kondensator 15 unter Erhöhung des Drucks von p1 auf den Druck p2 zurück in den Verdampfer 3·

Der zweite Teilstrom 6 des Wärmeträgermediums dagegen gelangt in den Kompressor 2 und von dort in den ersten Kondensator 12, wo es ebenfalls unter Abgabe von Kondensationswärme kondensiert und die Werte t3 und p3 annimmt. Das flüssige Wärmeträgermedium wird über die Leitung 13 ebenfalls dem Verdampfer 3 zugeführt, wobei das Einspritzventil 14 die Differenz zwischen den Drücken p3 und p2 wahrt und demgemäß diese Druckdifferenz überbrückt.

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Infolge der gewählten Kompaktbauweise treten keine Dichtprobleme auf, da keine bewegten Bauteile nach außen abzudichten sind. Die zum Antrieb von Expander, Kompressor und Flüssigkeitspumpe erforderliche Energie wird unmittelbar aus dem Wärmeträgermedium gewonnen.

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Claims

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Ali SPEÜC EE

Mit einem Wärmeträgermedium arbeitende Wärmepumpenanordnung, enthaltend einen einem Verdampfer für das Medium nachgeschalteten, dieses über einen ersten Kondensator zum Verdampfer zurückliefernden Kompressor, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung ferner einen Expander (i), dem ein zweiter Kondensator (15) nachgeschaltet ist, sowie eine Pumpe (ίο) zwischen dem Ausgang des zweiten Kondensators (15) und dem Verdampfer (3) enthält, wobei die Temperatur in dem zur Nutzwärmeabnahme eingerichteten ersten Kondensator (12) höher und die Temperatur im zweiten Kondensator (15) niedriger ist als die Temperatur im Verdampfer (3), und daß der von einem ersten Teilstrom (5) des vom Verdampfer (3) kommenden Mediums angetriebene Expander (1) Antriebskräfte übertragend gekoppelt ist sowohl mit dem Kompressor (2) für den restlichen zweiten Teilstrom (6) des vom Verdampfer (3) kommenden Mediums als auch mit der Pumpe (1O).
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Expander (1) und Kompressor (2) Drehbewegungen ausführen.
3. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Schraubenexpander (i) und einen Schraubenkompressor (2).

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Vorsitzender Vorstand: Toni Schmücker, Vorsitzender · Horst Backsmann · Prof. Dr. techn. Ernst Fiala · Dr. jur. Peter Frerk

des Aufsichtsrats: Günter Harlwich · Horst Münzner ■ Dr. rer. pol. Werner P. Schmidt Gotllieb M. Strobl · Prof. Dr. rer. pol. Friedrich Thomee

Hans Birnbaum Sitz der Gesellschaft: Wolfsburg Amtsgericht Wolfsburg HRB

ORIGINAL INSPECTED
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß Expander (i), Kompressor (2) und Pumpe (1O) in einem gemeinsamen Gehäuse (i6) angeordnet sind.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 "bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang des ersten Kondensators (12) und dem Verdampfer (3) eine Einrichtung nach Art eines Einspritzventils (14) zur Wahrung einer Druckdifferenz zwischen erstem Kondensator (12) und Verdampfer (3) eingeschaltet ist.

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