DE2819276A1

DE2819276A1 - Vorrichtung und verfahren zur waermeuebertragung zwischen fluiden medien oder sonstigen materialien

Info

Publication number: DE2819276A1
Application number: DE19782819276
Authority: DE
Inventors: Nichtnennung Beantragt
Original assignee: Commercial Refrigeration Co
Current assignee: Commercial Refrigeration Co
Priority date: 1977-05-02
Filing date: 1978-05-02
Publication date: 1978-11-09
Also published as: GB1544804A; US4205532A

Description

BLUMBACH · WE3ER · BERGEN · KRA ZWIRNER · HIRSCH · BREHM

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

^19278

Patentconsult Radeckestraße 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Palentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121)562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult

COMMERCIAL REi¹RIaERATION (WILTSHIRE) LIMITED Kingsway, Wilton, Salisbury,
Wiltshire, England

Vorrichtung und Verfahren zur Wärmeübertragung zwischen fluiden Medien oder sonstigen Materialien

Beschreibung:

Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wärmeübertragung zwischen fluiden Medien oder sonstigen Materialien mit einem Kühlmittelumlauf mit einem ersten Wärmetauscher (Annahme-Tauscher), in dem das Kühlmittel Wärme von einem ersten fluiden Medium oder sonstigem Material annimmt, mit einem Verdichter zum Verdichten des von dem Annahme-Tauseher herkommenden Kühlmittels, mit einem zweiten Wärmetauscher (Abgabe-Tauscher), in dem das Kühlmittel Wärme an ein zweites fluides Medium oder sonstiges Material abgibt, und mit einer Expansionseinrichtung

München: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · P. Hirsch Dipl.-Ing.. H. P. Brehm Dipl.-Chem. Dr. phil. nat. Wiesbaden: P. G. Blumbadi Dipl.-Ing.. P. Bergen Dipl.-Ing. Dr. jur. · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.

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zum Expandieren des von dem Abgabe-Taus eher herkommenden Kühlmittels, bevor dieses zu dem Annahme-Tauscher zurückgeführt wird, wobei die Vorrichtung für den Betrieb des Annahme-Tauschers bei unterkritischem Druck des Kühlmittels ausgelegt ist. Die Erfindung betrifft..weiterhin ein Verfahren zur Wärmeübertragung zwischen fluiden Medien oder sonstigen Materialien.

Wärmepumpen zur Ausnutzung der fühlbaren Wärme eines fluiden Mediums oder sonstigem Material sind bekannt. Diese Wärmepumpen entnehmen Wärme aus einer Quelle mit einer relativ tiefen Temperatur und geben bei relativ hoher Temperatur Wärme an ein zu erwärmendes fluides Medium oder sonstiges Material ab. Die Wärmequelle besteht gewöhnlich aus einer großen Menge einer Substanz, die üblicherweise konstante Temperatur aufweist. Beispiele hierfür sind Meerwasser, ein See, ein Wassertank, atmosphärische luft, der Erdboden, ein fluides Medium, ein kondensierendes fluides Medium oder ein Pestkörper. Zu bekannten Wärmepumpen dieser Art gehört ferner ein Kühlmittelumlauf, der ein Kühlmittel enthält. Zu dem Kühlmittelumlauf gehören:

ein erster Wärmetauscher (der nachfolgend als Anna¹.!- me-Tauscher bezeichnet wird), für den Wärmetausch zwischen der Quelle und dem Kühlmittel, um das Kühlmittel zu erwärmen;

ein Verdichter, der das vom Annahme-Tauseher herkommende Kühlmittel annimmt und dessen Temperatur durch Zuführung von mechanischer Arbeit erhöht; ein zweiter Wärmetauscher (der nachfolgend als

Abgabe-Tauscher bezeichnet wird) für den Wärme-809845/0946

tausch zwischen dem von dem Verdichter herkommenden Kühlmittel und einem zu erwärmenden Material; und

eine zwischen dem Abgabe-Tauscher und dem Annahme-Tauscher angeordnete Expansionseinrichtung, welche das von dem Abgabe-Tauscher herkommende Kühlmittel auf eine Temperatur abkühlt, die unterhalb der Temperatur der Quelle liegt.

Bei diesen, oben beschriebenen, bekannten Wärmepumpen wird das Kühlmittel üblicherweise im Verlauf des gesamten thermodynamischen Kreisprozesses, d.h., an allen Stellen des Kühlmittelumlaufs, bei unterkritischem Druck gehalten. Das Kühlmittel nimmt Wärme auf, indem es zwischen zwei Phasen siedet oder verdampft, und das Kühlmittel kann auf drei verschiedenen Wegen Wärme abgeben, nämlich durch Abnahme der Überhitzung des Gases, durch Kondensation zwischen zwei Phasen und durch Unterkühlung des flüssigen Kühlmittels. Betrachtet man den thermodynamischen Wirkungsgrad der bekannten Wärmepumpen, so fallen insbesondere zwei wesentliche Punkte für einen unzureichenden Wirkungsgrari auf, nämlich

(1) eine Entropiezunahme im Abgabe-Tauseher und

(2) eine nicht-isentrope Verdichtung des Kühlmittels.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren der oben genannten Art bereit-

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zustellen, welche verbesserten thermodynamischen Wirkungsgrad aufweisen.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 4 angegeben. Vo"Cteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Wie mit den Ansprüchen angegeben, besteht der wesentliche Gesichtspunkt der Erfindung darin, das Kühlmittel in dem Abgabe-Tauscher, d.h. das Kühlmittel bei der Abgabe von Wärme an das zweite fluide Medium oder das zweite sonstige Material, bei überkritischem Druck zu halten.

Wie das auch bei den bekannten, oben beschriebenen Wärmepumpen der Pail ist, wird das Kühlmittel im Annahme-Tauseher der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei unterkritischem Druck gehalten, so daß das Kühlmittel die Wärme durch Sieden oder Verdampfen zwischen zwei Phasen annimmt. Demgegenüber ist jedoch die erfindungsgemäße Vorrichtung mit der Maßgabe ausgestaltet, daß das Kühlmittel die Wärme bei überkritischem Druck abgibt, wodurch die Entropiezunahme in dem Abgabe-Tauseher beträchtlich verringert werden kann, so daß äer thermo dynamische Wirkungsgrad der Vorrichtung insgesamt gesteigert wird. Weiterhin erlaubt der im Rahmen der vorliegenden Erfindung angewandte thermo dynamis.che Kreisprozess die Anwendung von Kühlmitteln mit einem niedrigen Verdichtungsverhältnis, insbesondere die Anwendung von Kohlendioxid (CO₂) oder A*than (G₂Hg), wodurch der Wir-

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kungsgrad der Verdichtung gesteigert werden kann. Anstelle des thermodynamischen Wirkungsgrades einer Wärmepumpe ist für den Betreiber hauptsächlich der Leistungskoeffizient (COP, abgeleitet von_cpefficient _of performance) oder das Leistungs-Energieverhältnis von Bedeutung, wie es in der Literatur auch bezeichnet wird. Wie Jedoch nachfolgend dargelegt wird, ist der Leistungskoeffizient sehr stark vom thermodynamischen Wirkungsgrad abhängig, so daß der verbesserte tnermodynamische Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch zu einem erhöhten Leistungskoeffizienten führt.

Wie in der Fachwelt bekannt ist, bestehen keine grundlegenden Unterschiede hinsichtlich der wesentlichen Bauteile oder der Betriebsweise zwischen einer mittels Verdichtung eines Dampfes arbeitenden Wärmepumpe und einer solchen Kälteerzeugungsanlage, obwohl natürlich Unterschiede hinsichtlich der baulichen Ausgestaltung bestehen werden. Bei beiden Anlagen wird Wärme von einem ersten Material auf ein zweites Material übertragen, wobei das erste Material Wärme verliert und das zwei te Material fühlbar aufgeheizt wird; der hauptsächliche Unterschied besteht darin, daß in einer Kälteerzeugungsanlage der Betreiber hauptsächlich an der aufgenommenen Wärmemenge interessiert ist (Kühlwirkung^, während der Betreiber einer Wärmepumpe hauptsächlich an der abgegebenen Wärme (Heizwirkung) interessiert ist. Obwohl somit eine erfindungsgemäße Vorrichtung speziell als Wärmepumpe zur fühlbaren Aufheizung des zweiten Materials ausgestaltet sein kann, wird sie trotzdem Wärme aus dem ersten Material abziehen, wodurch, was in gewissem Ausmaß von der Anwendung abhängt, die erfindungsgemäße Vorrichtung auch als

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Kälteerzeugungsanlage dienen kann. Somit umfaßt die Torliegende Erfindung Vorrichtungen, die speziell als Wärmepumpe, als Kälteerzeugungsanlage oder für die gleichzeitige Anwendung als ■Wärmepumpe und Kälteerzeugungsanlage ausgestaltet sind. Im Hinblick auf eine einfachere Darstellung wird nachfolgend lediglich, der Fall der Wärmepumpe im einzelnen erläutert.

Zur Erläuterung einer "beispielhaften Ausführungsform der Erfindung dienen auch 3 Blatt Abbildungen mit den Pig. 1 "bis 4; im einzelnen zeigen:

!"ig. 1 mit einem schematischen Blockdiagramm den Aufbau einer Wärmepumpe;

Fig. 2 ein Temperatur/Enthalpie-Diagramm für den von der Wärmepumpe nach Fig. 1 durchgeführten thermo dynamischen Kreisprozess;

Fig. 3 in Form einer graphischen Darstellung die Abhängigkeit der wirksamen Verdichtung (%) vom Verdichtungsverhältnis für einen typischen Gasverdichter; und

Fig. 4 ein Temperatur/Enthalpie-Diagramm für den Wärmeabgabeprozess, wie er im Abgabe-Tauscher einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe abläuft, wenn das Kühlmittel die Wärme bei überkritischem Druck abgibt; zum Vergleich ist auch der Wärmeabgabeprozess

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in dem Abgabe-Tauscher einer bekannten Wärmepumpe dargestellt, wenn das Kühlmittel die Wärme bei unterkritischem Druck abgibt.

Die mit Fig. 1 dargestellte Wärmepumpe ist dazu vorgesehen, Wärme von einer Quelle S zu einem fluiden Medium oder sonstigem Material C zu "pumpen", um eine fühlbare Erwärmung des fluiden Mediums oder des sonstigen Materials G durchzuführen. Aus Gründen der einfacheren Darstellung sollen nachfolgend sowohl die Wärmequelle S wie das Material C fluide Medien darstellen, so daß nachfolgend die Quelle S kurz als Wärmequelle und das Material C kurz als Kältequelle bezeichnet werden. Die Wärmepumpe kann jedoch auch in solchen Fällen verwendet werden, wo die Wärmequelle und/oder das zu erwärmende Material aus Feststoffen bestehen.

Zu der dargestellten Wärmepumpe gehören ein Annahme-Tauscher 10, ein Verdichter 12, ein Abgabe-Tauscher 14 und eine Expansionseinrichtung 16, welche über Leitungen 18 miteinander verbunden sind, so daß ein geschlossener Kreislauf gebildet wird; dieser Kreislauf enthält ein Kühlmittel und wird deshalb als Kühlmittelumlauf bezeichnet.

Der Annahme-Tauscher 10 ist als Gegenstrom-Wärmetauscher dargestellt. Die Kältequelle S tritt mit der Temperatur Tg₁ in den Annahme-Tauscher 10 'und verläßt diesen mit der Temperatur T_S2< Das Kühlmittel tritt in den Annahme-Tauscher 10 mit der Tempe-

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. „ . 2819278

ratur T-^₁ ein, nimmt von der Wärmequelle S Wärme an und verläßt den Annahme-Tauseher 10 mit der Temperatur T_R2< ^ⁿ äem Annahme-Tauscher 10 weist das Kühlmittel unterkritischen Druck auf; das bedeutet, das Kühlmittel nimmt von der Wärmequelle S Wärme durch Sieden oder Verdampfen zwischen zwei Phasen auf. Es ist nicht wesentlich, daß der Annahme-Tauseher 10 als Gegenstrom-Wärmetauscher ausgebildet ist. Da üblicherweise lediglich kleine Temperaturunterschiede zwischen der Wärmequelle S und dem Kühlmittel in dem Annahme-Taus eher 10 bestehen, kann auch ein Wärmetauscher mit quergerichteter Strömung ( cross-flow exchanger) oder ein sonstiger Wärmetauscher angewandt werden, ohne daß der Wirkungsgrad merklich abnimmt.

Der Verdichter 12 verdichtet das den Annahme-Tauseher 10 verlassen habende Kühlmittel, und durch Einwirkung von mechanischer Arbeit auf das Kühlmittel wird dessen Druck angehoben, und dessen Temperatur wird von T_R2 auf T„·* gesteigert.

Der Abgabe-Tauscher 14 ist als Gegenstrom-Wärmetauscher ausgebildet. Die Kühlquelle C tritt mit der Temperatur T^. in den Abgabe-Tauseher 14 ein und verläßt diesen mit der Temperatur T„p. Das Kühlmittel gibt im Abgabe-Tauseher 14 Wärme an die Kühlquelle ab und verläßt den Abgabe-Tauscher mit der Temperatur t_R4.

Die Expansionseinrichtung 16 expandiert das den Abgabe-Tauscher 16 verlassen habende Kühlmittel und vermindert dabei dessen

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Druck sowie dessen Temperatur auf die Temperatur T„..

Mit Pig. 2 ist ein Temperatur/Enthalpie-Diagramm (Angabe der Temperatur in ° Z, der Enthalpie in kW) für das Kühlmittel dargestellt; in Form der geschlossenen, stark ausgezogenen Linie ist der thermodynamische Kreisprozess dargestellt, welcher in der oben beschriebenen Wärmepumpe abläuft. Die Enthalpie-Werte Q-J > Qp» Q^ vw-ä Q4. sind die Werte für die Enthalpe des Kühlmittels, wenn dieses in den Annahme-Tauscher 10 eintritt, den Abgabe-Tauscher 14 verläßt, den Annahme-Tauseher 10 verläßt und in den Abgabe-Tauseher 14 eintritt. Die Temperatur- und Enthalpie-Verluste in den Leitungen 18 bleiben unberücksichtigt, da diese lediglich unbedeutende Werte haben.

Bei einertiblichen Wärmepumpe weist das Kühlmittel in dem Abgabe-Tauscher 14 unterkritischen Druck auf. Im Gegensatz dazu wird bei der erfindungsgemäßen Wärmepumpe das Kühlmittel in dem Abgabe-Tauscher 14 bei überkritischem Druclc gehalten, wodurch, wie das nachfolgend erläutert wird, die Entropiezunahme in dem Abgabe-Tauscher 14 wesentlich herabgesetzt werden kann, wodurch insgesamt der thermodynamische Wirkungsgrad der Wärmepumpe erhöht wird. Der in der erfindungsgemäßen Wärmepumpe durchlaufene thermodynamische Kreisprozess erlaubt die Verwendung von Kühlmitteln mit niedrigen Verdichtungsverhältnissen, wie z.B. Kohlendioxid (CO2) oder Äthan (CpHg), wodurch die Kompressionswirkung gesteigert werden kann, wie das nachfolgend erläutert wird.

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Eine erfindungsgemäße Wärmepumpe kann im wesentlichen in gleicher Weise aufgebaut sein, wie eine übliche Wärmepumpe; jedoch sind die nachfolgenden Abweichungen vorgesehen:

(1) Der Verdichter 12 muß ausreichend stark sein, um das Kühlmittel in dem Abgäbe-Tauseher 14 auf überkritischen Druck zu bringen; weiterhin muß die Expanslonseinrichtung 16 ein ausreichendes Maß an Entspannung bringen, damit der Druck des Kühlmittels wieder auf unterkritischen Druck absinkt, bevor das Kühlmittel in den Annahme-Tauscher 10 eintritt.

(2) Übliche Wärmepumpen sind für einen max.Arbeitsdruck des Kühlmittels von etwa 21 kp/cm Überdruck ausgelegt. Da die Werte für den kritischen Druck für nahezu alle fluiden Medien etwa 31,6

kp/cm Überdruck übersteigen (beispielsweise beträgt der kritische Druck von CO₂ 120 kp/cm Überdruck und der-jenige von C₂Hg 54,8 kp/cm

Überdruck), muß die mit Fig. 1 dargestellte Wärmepumpe dahingehend ausgelegt sein, daß sie den entsprechend höheren Werten für den Arbeitsdruck des Kühlmittels standhält.

(3) Der Abgabe-Tauscher (Kondensator) einer üblichen Wärmepumpe ist dahingehend ausgelegt, daß das

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Kühlmittel in horizontaler oder nach unten gerichteter Richtung den Wärmetauscher durchströmt, so daß das flüssige Kühlmittel darin nicht eingeschlossen werden kann. Da das Kühlmittel in dem Abgabe-Tauscher 14 der mit Fig.1 dargestellten Wärmepumpe überkritischen Druck aufweist, muß die Ausgestaltung des Abgabe-Tauschers nicht in dieser Weise beschränkt sein, da abgesehen von irgendwelchen Anteilen an Schmierölen, die aus dem Verdichter in das Kühlmittel gelangt sind, das Kühlmittel in dem Abgabe-Tauscher 14 ein einphasiges fluides Medium darstellt, so daß ein Abfluß für eine Flüssigkeit durch den Abgabe-Tauscher nicht erforderlich ist.

Die erfindungsgemäße Wärmepumpe kann für eine Vielzahl von Anwendungen vorgesehen werden, beispielsweise zur Erwärmung von Wasser von etwa 5 auf 100⁰C (d.h. bis zum Siedepunkt) oder zur Erwärmung von Luft von etwa 20°C auf 60⁰C. Noch allgemeiner ausgedrückt, kann die erfindungsgemäße Wärmepumpe zur Erwärmung eines fluiden Mediums oder von sonstigem Material auf eine Temperatur vorgesehen werden, welche die kritische Temperatur des benutzten Kühlmittels übersteigt. Die kritische Temperatur von CO₂ beträgt 31⁰C und diejenige von Äthan 32,2⁰C.

Wie bereits oben angegeben, ist der thermodynamisch^ Kreisprozess der mit Fig. 1 dargestellten Wärmepumpe mit Fig. 2

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dargestellt. Der thermodynamische Wirkungsgrad » der mit Fig. dargestellten Wärmepumpe ist gleich dem Verhältnis von dem Entropieverlust (kW/°K) der durch den Annahme-Tauseher strömenden Wärmequelle S (das entspricht der Temperaturabnahme von T₃₁ auf Tgo) ^zu ^^er Entropiezunahme (kW/°K) der durch den Abgabe-Tauscher strömenden Kühlquelle C (das entspricht dem Temperaturanstieg von T_c1 auf Tq₂)* Mittels mathematischer Ausdrücke kann der thermo dynami sehe Wirkungsgrad Jj7 wie folgt ausgedrückt werden:

¹S

(O

wobei Tg die Temperatur der Wärmequelle und T_Q die Temperatur der Kühlquelle sind (jeweils in ⁰K).

Sofern 0. die Entropiezunahme des Kühlmittels in dem Annahme-Tauscher (entsprechend der Temperatürzunähme von T_R^ auf T_R2) bedeutet, dann kann der Zähler der Gleich-ung (1) wie folgt ausgedrückt werden:

Vr ¹S /

0_A - f (*τ - ir / *Q (2)

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-₁₆- 2819278

wobei T_R für die Temperatur des Kühlmittels (⁰K) steht.

Sofern 0_R den Entropie verlust (0r~0a) ^des Kühlmittels in dem Abgabe-Tauseher (entsprechend dem Temperaturabfall von T_R., auf T_R,)bedeutet, kann der Nenner der Gleichung (1) wie folgt ausgedrückt werden:

Daraus c-rgibt sich der thermodynamisch^ Wirkungsgrad in dimensionslosen Größen wie folgt

¹ " k I ⁼ -—: (4)

dQ

Aus Gleichung (4) ist ersichtlich, wie der thermodynamische Wirkungsgrad von den Entropieänderungen 0. und 0_R des Kühlmittels in dem Annahme-Tauseher sowie in dem Abgabe-Tauscher bei der Durchführung des Kreisprozesses beeinflußt wird; weiterhin ergeben sich aus den Integralwerten die Entropiezunahmen wegen des Wärmeübergangs in dem Annahme-Taus eher und dem Abgabe-Tauscher.

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_₁₇_ 281927S

Ί 1

Da die Größen · und ■ in Gleichung (4) in einer rauhen ¹R-¹S ¹G¹R

Näherung als konstant angesehen v/erden können, da die absoluten Temperaturwerte gewöhnlich groß sind im Vergleich zu den Temperaturänderungen beim Durchlaufen des Kreisprozesses, sind die Integralwerte angenähert proportional den in Fig. 2 schraffiert dargestellten Flächen 22 und 24, welche den Wärmetauschvorgängen im Abgabe-Tauscher und Annahme-Tauscher entsprechen. Sofern die einleuchtende Annahme gemacht wird, daß die Kühlmitteltemperatur Tp und die Wärmequellentemperatur T₃ in dem Annahme-Tauseher im wesentlichen konstant sind, dann kann der Integralwert des Zählers aus Gleichung (4) gelöst werden; der Zähler aus Gleichung (4) nimmt dann den folgenden Ausdruck an

1 - (^Ts - ^tr)

T-T Für Τ_σ = 273 K und T_n= 268°K erhält man für T_q =0,0183,

O Xv. O

was be.deutet, daß der Wert des Zählers aus Gleichung (4) im wesentlichen 1 ist. Das bedeutet, daß der Annahme-Tauseher in vernachlässigbarem Ausmaß zu der Minderung des thermodynamischen Wirkungsgrades beiträgt; daß vielmehr die Hauptursachen für die Minderung des thermodynamischen Wirkungsgrades im Nenner der Gleichung (4) zu suchen sind.

Bei einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe werden diese Ursachen für einen unbefriedigenden thermodynamischen Wirkungsgrad mittels der nachfolgenden Maßnahmen möglichst klein gehalten.

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(1) Durch die Anpassung des thermodynamischen Kreisprozesses an überkritischen Druck können Kühlmittel mit einem niedrigen Verdichtungsverhältnis eingesetzt v/erden, wie z.B. C0_? oder CpIL·, was einen hohen Wirkungsgrad bei der Verdichtung ergibt;

(2) die Entropiezunahme in dem Abgabe-l'auscher wird wesentlich verringert, da das Kühlmittel in dem Abgabe-Tauscher bei überkritischem Druck gehalten wird.

Die Polgen der Maßnahme (1) können noch besser aus Tig. 5 abgeleitet werden, wo in Form einer graphischen Darstellung die wirksame Verdichtung (%) gegen das Verdichtungsverhältnis eines typischen GasVerdichters aufgetragen ist. Ersichtlich wird eine hohe wirksame Verdichtung bei einem niedrigen Verdichtungsverhältnis erhalten. Die wirksame .. Verdichtung bzw. der Wirkungsgrad der Verdichtung ist..als das Verhältnis der isentropen Tferdichtungsarbeit zur tatsächlichen Verdichtungsarbeit definiert.

Die Folgen der Maßnahme (2) ergeben sich noch deutlicher aus Fig. 4·» wo der Wärmeabgabevorgang in dem Abgabe «Taus eher 14 einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe dargestellt ist, wenn sich das Kühlmittel bei überkritischem Druck befindet; zu Vergleichszwecken ist auch der entsprechende Vorgang in einem Ab-

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gabe-Tauscher einer üblichen bekannten Wärmepumpe dargestellt, · wenn sich das Kühlmittel "bei unterkritischem Druck befindet, so daß das Kühlmittel Wärme durch Verringerung der Überhitzung des gasförmigen Kühlmittels, durch Kondensation zwischen zwei Phasen (wobei die latente Wärme abgegeben wird) oder durch Unterkühlung des flüssigen Kühlmittels abgibt. In dem Abgabe-Tauscher 14 der erfindungsgemäßen Wärmepumpe ist die Entropiezunahme angenähert proportional der kreuzweise schraffierten Fläche zwischen den linien 26 und 28; demgegenüber ist die Entropiezunahme in dem Abgabe-Tauseher einer bekannten Wärmepumpe angenähert proportional der beträchtlich größeren schraffierten Fläche zwischen den Linien 26 und 30.

Wie bereits oben ausgeführt, ist der Betreiber einer Wärmepumpe am Leistungskoeffizienten (COP) noch stärker interessiert als am thermodynamischen Wirkungsgrad. Der Leistungskoeffizient (COP) ist wie folgt definiert

abgegebene Enthalpie (KW) COP =

Verdichtungsenthalpie (kW) - Expansionsenthalpie (kW)

(5)

Q₄-Q₂

(Q₄- Q₃]- (Q₂ - Q₁/

Hierbei ist zu beachten, daß bei der praktischen Ausführung von Wärmepumpen die Expansionsenthalpie gewöhnlich nicht zur Verringerung der Verdichtungsarbeit zur Verfügung steht. Die Expansionsenthalpie ist gewöhnlich klein, verglichen mit der

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Veräichtungsenthalpie. Die gebräuchlichen Expansionseinrichtungen arbeiten gev/öhnlich auf einer konstanten Enthalpiebasis, wobei Q₂ = Q₁.

Aus Gleichung (1) kann eine Beziehung zwischen dem thermodynamischen Wirkungsgrad (η) und dem Leistungskoeffizienten (COP) abgeleitet werden, sofern die Annahme gemacht wird, daß die Änderungsgeschwindigkeit für die Temperatur im Hinblick auf die Enthalpie (dl/dQ) sowohl für die Wärmequelle (S) wie für die Kältequelle G konstant ist. Ausgehend von dieser Annahme kann Gleichung (1) wie folgt umgeformt werden:

_J_ J

"COP /

- ¹

J ly

(6)

Da das Verhältnis T<-_M /_m gev/öhnlich angenähert den Wert 1

^b1/iS2

hat, kann Gleichung (6) wie folgt abgekürzt werden:

Pur T₀₂ = 10O⁰C = 573°K;

T₀₁ = 5°C = 278⁰K und T_ = O⁰C = 273°K

erhält man

γ = 1,1834 ( 1 - οδΡ

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Hieraus kann die nachfolgende Wertetabelle abgeleitet werden:

. COP	1	986	-	6O⁰C	= 333⁰K,
• 6,45	ο,	946	ζζ	20⁰C	- 293⁰K und
6	ο,	887		O⁰C	= 273°Κ:
5	ο,	789
4	ο,	591
3	ο,
2	O	^χ02 ~
1
es Beispiel gilt		φ

daraus folgt M = 1,1440 ( 1 - £δρ );

hieraus kann die nachfolgende Wertetabelle abgeleitet werden;

COP	t
■7,94	1
7	0,981
6	0,953
5	0,915
4	0,858
3	0,763
2	0,572
1	0

Aus obigen Tabellen ist ersichtlich, daß der Leistungskoeffizient sehr genau von dem thermodynamisehen Wirkungsgrad (η ) abhängt. Dementsprechend führt der gesteigerte thermodynamisehe Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Wärmepumpe zu einer Erhöhung des Leistungskoeffizienten.

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. '²²~

Claims

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COMMERCIAL REFRIGERATION (WILTSHIRE) LIMITED Kingsway, Wilton, Salisbury,

Wiltshire, England

Vorrichtung und Verfahren zur Wärmeübertragung zwischen flui-

den Medien oder sonstigen Materialien

Patentansprüche:

Vorrichtung zur Wärmeübertragung zwischen fluiden Medien oder sonstigen Materialien mit einem Kühlmittelumlauf mit einem ersten Wärmetauscher (Annahme-Tauseher), in dem das Kühlmittel die Wärme von einem ersten fluiden Medium oder sonstigem Material annimmt; einem Verdichter zum Verdichten des von dem Annahme-Tauscher herkommenden Kühlmittels; einem zweiten Wärmetauscher (Abgabe-Tauscher), in dem das Kühlmittel Wärme an ein zweites fluides

MUnchen: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · P. Hirsch Dipl.-Ing. · H. P. Brehm Dipl.-Chem. Dr. phil. nat. Wiesbaden: P.e. Blumbach Dipl.-Ing. · P. Bergan Dipl.-Ing. Dr. jur. · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.

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Medium oder sonstiges Material abgibt; und einer Expansionseinrichtung zum Expandieren des von dem Abgabe-Tauscher herkommenden Kühlmittels, bevor dieses zu dem Annahme-Tauseher zurückgeführt wird,

wobei die Vorrichtung für den Betrieb des Annahme-Tausehers bei unterkritischem Druck des Kühlmittels ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß

die Vorrichtung für den Betrieb des Abgabe-Tauschers (14) bei überkritischem Druck des Kühlmittels ausgelegt ist.
2. »Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß

das Kühlmittel Kohlendioxid ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß

das Kühlmittel Äthan ist.
4. Verfahren zur Wärmeübertragung zwischen fluiden Medien oder sonstigen Materialien,

wobei ein Wärmetausch zwischen einem Kühlmittel und einem ersten fluiden Medium oder sonstigem Material mit der Maßgabe durchgeführt wird, daß das Kühlmittel Wärme von dem ersten Material annimmt, während das Kühlmittel unterkritischen Druck aufweist,

das von dem ersten Material erwärmte Kühlmittel verdichtet wird, ein Wärmetausch zwischen dem verdichteten Kühlmittel und einem

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zweiten fluiden Medium oder sonstigem Material mit der Maßgabe durchgeführt wird, daß das Kühlmittel Wärme an das zweite Material abgibt, und

das an das zweite Material Wärme abgegeben habende Kühlmittel expandiert wird, bevor es erneut dem Wärmetausch mit dem ersten Material zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetausch zwischen dem komprimierten Kühlmittel und dem zweiten fluiden Medium oder sonstigem Material (C) mit dem Kühlmittel bei überkritischem Druck durchgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel Kohlendioxid verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel Äthan verwendet wird.