DE3001315A1 - Gewinn mechanischer leistung aus umwelt- oder abwaerme, antrieb einer waermepumpen- bzw. kaeltepumpenanlage - Google Patents

Description

• Gewinn mechanischer Leistung aus Utwelt- oder Abwärme.
• Antrieb einer Wärmepuppen- bzw. Kältepurpenanlage Der Antrieb einer Wärmepumpe für Zwecke der Raumheizung bzw. Warmwassererzeugung etc. erfolgt im allgemeinen durch elektrischen Antrieb. Bei weiterer Ausdehnung von Wärmepumpen ist die Leistungsfähigkeit der Elektrizitätswerke und des Verteilernetzes begrenzt. Zudem ist elektrische Energie zum Antrieb der Wärmepumpe nicht ökonomisch, da nur etwa 30 % der im E-Werk aufgewandten Primärenergie über das Ortsverteilungsnetz bis zum Anschluß an den Elektromotor gelangen, so dass der Spareffekt an Primär-Brennstoff gleich Null wird.
• Der Antrieb einer Wärmepumpe mittels VerbrennungsttDLor - Gas, Benzin, Diesel -wirft andere Probleme auf. Die nutzbare Verlustwärme eines Verbrennungsmotors würde etwa gleich gross sein, wie die mit Hilfe des Verbrennungsmotors in Verbindung mit einer Wärmepumpe erzeugte Wärmeleistung. Und dann erübrigt sich im Normalfall die Wärmepumpe. Beschränkte Lebensdauer, intensive Wartung, Abgaskontrollen, Geräuschdämpfung, Regelungsfragen, Anlassen und Stillsetzen des Verbrennungsmotors in tausenden zeitlichen Abständen werfen weitere Probleme aur.
• Gegenstand der Erfindung ist der Antrieb der Wärmepumpe mittels einer ein- oder mehrstufigen Expansions-Dampf-Kraftmaschine, die im gleichen oder abgezweigten kombinierten Kreislauf des Kältemittels der Gesamtanlage oder einer separaten Anlage eingeordnet ist und mittels des Kältemittels selbst betrieben wird.
• Folgendes Prinzip liegt zugrunde. Die Wärmepumpe liefert je nach Art der vorliegenden Bedingungen und je nach Art des Energieträgers eine Energiemenge, die bis zu viermal so gross sein kann, wie die dem Verdichter zugeführte mechanische Energie. Dabei stammen zwei Drittel bis Dreiviertel dieser Energiemenge nicht aus der zurückgewonnenen Antriebsenergie des Verdichters, sie wird vielmehr der Umwelt entzogen. Es besteht daher kein Widerspruch zu den Naturgesetzen bzw.des Carnot-Kreisprozesses, wenn gemäss dem Erfindungsgedanken die mittels des Verdichter aus der Umwelt zusätzlich in doppelter bis dreifacher Höhe der Pumpen-Antriebsenergie bezogene Wärmeenergie ganz oder teilweise zur Erzeugung mechanischer Energie Verwendung findet, um mit deren Hilfe wiederum den Verdichter anzutreiben, so daß die im weiteren beschriebene Wärmepumpenanlage den für ihren Betrieb erfordrlichen Leistungsanteil allein aus der Umweltwärme selbst gewinnt.
• Eine Schema-Zeichnung Figur 1 erläutert diese Funktion. Die Wärmepumpe 1 fördert das angesaugte, verdichtete und aufgeheizte Kältemittel über die Leitung2 in den Verflüssiger 3, der seinerseits die Wärme an die Verbraucherstelle (linkes Dreieck) abgibt. Von dem Verlüssiger 3 aus fliesst das Kältemittel über Leitung 4 und 5, wobei die Symbole 7,8 und 8' zunächst unberücksichtigt bleiben, statt zu einem Expansionsventil zu einer Expansions-Kraftmaschine 6 in Form einer Turbine, Nolbendampfmaschine oder einer Rotationskraftmaschine, z.B. nach Art des Wankel-Motors bzw. nach Art von Roll-Kolbenpumpen, Flügel- oder Zahnradpumpen, in vielfach bekannter Bauart, bzw. unter Verwendung bekannter Druckluftmotoren. Diese Expansionskraftmaschine 6 treibt gemäss dem Erfindungsgedanken die Wärmepumpe 1 an. Von dem Expansionsmotor 6 gelangt das expandierte Kältemittel wieder in den Verdampfer 10.
• Falls die Temperatur und Wärmemenge des komprimierten Kältemittels nach erfolgter Wärmeäbgabe an die Verbrauchsstelle 3 infolge unzureichend vorhandener Umweltwärme oder Unterdimensionierung der Wärmepumpenanlage nicht ausreicht, um mittels der Expansions-Kraftmaschine 6 zu allen Zeiten die Wärmepuppe 1 anzutreiben, wobei der Druck in Leitung 4 u. 5 entsprechend der Pumpenleistung unverändert ist, mrsS zusätzlich Wärme zugefunrt werden. Hinzatrrt, dass als Folge der Nutzwärmeabgabe im Austauscher 3 das Kältemittel ganz oder teilweise kondensiert. Geht man davon aus, dass das Kältemittel z.B. mit 11 bar und + 80 ° C dem Verflüssiger 3 zugeführt wird und dass das Kältemittel als Kondensat mit + 40 ° C und 11 bar zum Expansionsmotor 6 gelangt, so ergibt sich die Notwendigkeit, die Verlust-Energie zu ergänzen. Das kann geschehen mittels des zwischengeschalteten Wärmeaustauschers 7, welchem die erforderliche Wärme aus Primärenergie (Gas, Flüssig- oder Fest-Brennstoff usw. oder Sekundärenergie) zugeführt wird. D arrpfbetriebene Expansionsmotoren mit geschlossenem Kreis lauf weisen gegenEber Verbrennungsmotoren über alle ökonomischen Vorteile des Systems hinaus eine praktisch unbegrenzte Lebensdauer auf. Es gibt keine Abgase, geringe Wartung, keine Erschütterungen, keine Lärmbelästigung. Sie sind leicht regelbar und können mit Wärmezufuhr und automatisch gesteuerten(Regeln)allein durch Dampfdruck oder auch mittels elektrischen Anlassern angefahren werden.
• Ordnet man z.B. in der Zufuhrung des Wärmemittels noch ein Rückschlagventil 8 an und evtl. ein Regelventil 8'vor dem Antriebsmotor, so kann man den Druck auch über die angenommenen 11 bar durch Wärmezufuhr erhöhen und so u.U. den Arbeitseffekt der Expansionsantriebsmaschine 6' vorrübergehend verbessern bzw. zum Anfahren der Antriebsmaschine ausnutzen. Das in den Expansionsmotor 6 von 11 auf beispielsweise 2 bar entspannte Kältemittel gelangt nunmehr über die Leitung 9 in den Verdampfer 1o , in welchem der Prozeß der Wämmeentziehung aus der Umwelt vor sich geht.
• Eine Warmebilanz könnte theoretisch z.B. wie folgt aussehen:Arbeitsleistung des mit Ziffer 6 bezeichneten Antriebsmotors = 1 kw = 860 Kcal. Zurückgewonnene Wärmeleistung des Verdichters ca. 800 Kcal. + Wärmeaufnahme aus Umwelt 1600 Kcal.
• = 2400 Kcal. Hiervon werden rund 60 % entspr. 1500 Kcal. durch den Wärmeaustauscher im Verflüssiger 3 für Nutzwärme abgegeben, aber rund 40 % = 900 Kcal.
• bzw. etwa 1 Kwh würden vor der Expansions-Kraftmaschine noch zur Verfügung stehen. Zum Antrieb der Wärmepumpen müssen daher bei ungünstigen Bedingungen nur noch wenige hundert Kcal im Wärmeaustauscher 7 zugeführt werden, um das Kondensat in Dampf überzuführen und mechanische bzw. Strömungsverluste zu decken.
• In günstigen Fällen, wie bei höherer Umweltwärme oder geringer Ausnutzung der Nutzwärme kann der Betrieb der Wärmepumpe ohne zusätzliche Energiezufuhr allein aus Umweltenergie erfolgen, so z.B. im Sommer nur zur Warmwasserversorgung.
• Eine Expansionsdampfmaschine kann aber auch so konstruiert sein, das sie in der Lage ist, das wärmeführende unter Druck stehende Kältemittelkondensat innerhalb des Expansionsraumes zu verdampfen und zu verarbeiten. Eine Vorkammer z.B. wurde das rröglich machen.
• Der Wirkungsgrad eines Expansionsmotors 6 ist sehr günstig, weil bei diesem Gesamtprozeß nicht der in Kraftwerken bei Dampfmaschinen oder Dampfturbinen eintretende Verlust der zu kondensierenden Verdampfungswärme des Wassers negativ in Erscheinung tritt.
• In Figur 2 sind zwei völlig getrennte Systeme dargestellt. Bei dieser Variante erscheint die Möglichkeit, auch die zum Antrieb der Wärmepuppe erforderliche Leistung allein der Umwelt zu entnehmen, am günstigsten. Das links dargestellte System dient lediglich der Aufgabe, aus der Umwelt mit Hilfe des Verdampfers 10 und des Verdichters 1 ausreichend Energie zu gewinnen, um den Expansionsmotor 6 in die Lage zu versetzen, nicht nur die zum Antrieb des Verdichters 1 erforderliche Leistung aufzubringen, sondern rtglichst einen hohen Leistungsüberschuß zu gewinnen. Unter günstigen Umständen ist das durchaus erreichbar. Der entsprechend stark dimensionierte Expansionsmotor 6 seinerseits treibt sodann sowohl die eigene Puppe 1 an, sowie mittels der überschießenden Energie die Wärmepumpe 1' des rechts dargestellten Systems, das im übrigen völlig abgetrennt van links dargestellten System ist und u.U. auch mit eigenem Verdampfer zur Umweltwärmegewinnung arbeitet. Selbstverständlich ist auch hier bei ungünstigen Bedingungen eine bivalente Arbeitsweise durch Zwischenschaltung von Wärme aus tauschern möglich.
• Es versteht sich, dass mittels des in Figur 2 dargestellten Verfahrens das linke System ausschließlich darauf ausgerichtet ist, mechanische Energie aus Umweltwärme zu gewinnen. Das bedeutet, dass der Expansionsmotor 6 auch verwendet werden kann z.B. zur Erzeugung elektr. Energie, zum Antrieb der Schraube eines in warmem Fahrwasser sich bewegenden Bootes oder für jeden sonstigen Zweck.
• Figur 3 bezeichnet einen Weg, bei welchem direkt anschließend an die Wärmepumpe 1 nur der für den Antrieb des Expansionsnotors 6 erforderliche Energieteil bei 12 über ein Regelventil 13 inForm des verdichteten Kältemittels abgezweigt wird, während der restliche, möglichst grössere Energieteilsdem Wärreverbraucher 3 (Verflüssiger) zugeführt wird. Der Antriebsmotor erhält dann das verdampft hochgespannte Kältemittel aus erster Hand. Das expandierte Kältemittel gelangt dann über Leitung 14 zum Verdampfer 10, während der andere bei 12 abgezweigte Teil des verdichteten Kältemittels zu Heizzwecken zum Wärmeaustauscher 3 und über ein Reduzierventil 15 zum Verdampfer 10 zurückgeführt wird.
• Bei allen diesen beschriebenen Anordnungen kann ein vollautomatischer Betrieb durch Regelung von Ventilen und Regelung zusätzlicher Wärmezufuhr, gegebenenfalls auch zum jeweiligen Anfahren, durchgeführt werden. Allein wegen der Fragwwrdigkeit des Wärmepumpenantriebs durch Elektro- oder Verbrennungsmotor wird die Möglichkeit mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens der Ausnutzung des Prinzips der Wärmepunpe in Verbindung mit einer im gleichen oder getrennten Kreislauf befindlichen Expansionsdampfmaschine gerechtfertigt, und zwar auch dann, wenn zur Funktion der Anlage bivalent Wärme zugeführt werden muss. Dabei muss diese Wärme zufuhr über einen Wärmeaustauscher keinesfalls, wie in Figur 1 Ziffer 7 dargestellt, an der eingezeichneten Stelle erfolgen, da je nach Ausführung die Einfügung eines bivalent beheizten Wärmeaustauschers auch an jeder anderen vorteilhaften Stille erfolgen kann.
• Diese Bauart kann soweit entwickelt werden, dass man auf ein zweites konventionelles bivalentes Heizsystem für extreme Fälle verzichten kann. Wesentlich ist aber bei dieser Erfindung, dass auf alle Fälle auf elektrische Antriebsenergie als auch auf den Antrieb mittels des mit erheblichen Mängeln belasteten Verbrennungsrrotors verzichtet werden kann.
• Selbstverständlich kann man die in Figur 2 dargestellte Anordnung aber auch dazu benutzen, um aus Umwelt- oder Abwärme mittels der Wärmepumpe 1 und der Expansionsdampfmaschine 6 gewonnene mechanische Energie statt zum Antrieb einer Wärmepumpe 1 zum Antrieb einer Kältepumpe innerhalb einer Kühl- oder Klimaanlage zu benutzen. Praktisch bedeutet das, dass man z.B. in heissen Gegenden oder Jahreszeiten die Umweltwärme (z.B. der Luft) dazu benutzt, um zunächst mittels einer Wärmepumpe mechanische Energie zu erzeugen, die ihrerseits wiederum dazu dient, mittels einer Kältpumpe ctJe Temperatur in den vorgesehenen Räumen zu klinatisieren, bzw. zu sonstigen Kühlzwecken auszunutzen.
• Dass man dabei auch die abgeführte Wärme der Kühlanlage zum Betrieb der Wärmepumpe mit der damit verbundenen Expansionsdampfmaschine ebenfalls ausnutzt, ist naheliegend.
• Vorstellbar wäre ein z.B. auf dem Dach eines Hauses angebrachtes Aggregat, das auf der einen Seite Wärme aus Umwelt- bzw. aus der Abwärme einer Kühlungs-Klimaanlage hochpumpt, um eine Umsetzung in mechanische Energie mittels einer Expansionsdampfmaschine zu ermöglichen, wobei die so gewonnene mechanische Leistung wiederum in einem integrierten System die Leistung zum Antrieb der Kältepumpe flir cie Klimatisierung bzw. für sonstige Kühlzwecke liefert.
• Ein solches Aggregat wäre aber auch nach bekannten Verfahren umkehrbar zu betreiben, so daß in kalten Jahreszeiten statt Kälte Heizwärrrt erzeugt wird.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE | Wärmepumpensystem zur Gewinnung von Ileizenergie aus Utwelt- und Abwärme jedweder Art, bei welchem der Antrieb der Wärmepumpe mittels einer Expansionsdampfmaschine oder Turbine etc. erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die der Umwelt oder Abwärme entnomrne Energie in Form eines auf Dampfdruck und höhere Temperatur gepumpten Kältemittels nicht ausschließlich für Warmwasserarbeitung oder beliebige Heizzwecke genutzt wird, sondern durch entsprechende Dimensionierung, auch der Heizquelle, gleichzeitig zur Erzeugung der mechanischen Energie, die zum Antrieb der Wärmepumpe selbst erforderlich ist. Das geschieht mittels einer Expansionsdampfmaschine in Form einer Kolben-oder Rotationsmaschine geeigneter Bauart, wcbei die Expansionsmaschine im gleichen Kältemittel-Kreislauf-system der Gesamtanlage etwa gemäss Figur 1 und 3 eingeordnet ist und wobei sowohl die Energie zum Antrieb der Wärmepumpe als auch der zu gewinnenden Heizenergie der gleichen oder verschiedenen Umweltpumpen entharrtien werden, und Anspruch 2 , nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass im Falle eines Wärmedefizits aus Umweltwärme oder zum Zwecke der Deckung von Verlustwärme bzw. zum Anfahren, wenn erforderlich oder stetig, eine zusätzliche Wärmezufuhr mittels eines an geeigneter Stelle angeordneten Wärmeaustauschers, z.B. gemäss Figur 1 durch bivalente Wärme erfolgt.

   Anspruch 3 nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Systems gemäss Figur 3 lediglich mechanische Energie mittels einer Expansionsdampfmaschine gewonnen wird, wobei ein Teil dieser Leistung zum Antrieb der eigenen Wärmepumpe 1, dagegen der überschiessende Teil zum Antrieb einer in einem zweiten Wärmepumpensystem angeordneten Wärmepumpe 1 verwandt wird, wobei jedes der beiden Systeme entweder aus ein und derselben Umwelt- oder Abwärmequelle bedient werden, oder jedes System für sich eine eigene Umwelt- oder Abwärmequelle benutzt, wobei auch eine Unterteilung in der Form erfolgen kann, dass zwei Expansionsdampfmaschinen Verwendung finden, wobei die eine nur für den Eigenbedarf dient und die zweite die gewünschte mechanische Energie liefert.

   Anspruch 4 nach Anspruch 1 - 3 dadurch gekennzeichnet, dass die gemäss Figur 2 aus tktwelt- oder Abwärme betriebene Expansionsdampfmaschine zur Erzeugung elektrischer Energie oder zum Antrieb sonstiger Geräte oder z.B. Schiffsschrauben etc.

   Verwendung findet, wobei auch hier wie bei den vorher benannten Ansprüchen erforderlichenfalls vorrübergehend oder stetig ein Wämmedefizit bivalent mittels an geeigneter Stelle angeordneten Wärmeaustauschers gedeckt wird.

   -Seite 2 - Patentansprüche Hellmuth Butenuth, Bln. 39, Bismarckstraße 18 Anspruch 5 nach Anspruch 1 - 4 dadurch gekennzeichnet, dass alle erforderlichen Regelungen oder beschriebenen Anlaßvorgänge einschließlich der Zündung der bivalenten Warmequelle durch Sensoren und Ventile automatisch erfolgen.

   Anspruch 6 nach Anspruch 1 - 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsdampfmaschine auch die für die Regelungsvorgänge, Umwälzpumpen oder Ventilatoren etc. erforderliche elektrische Energie erzeugt.

   Anspruch 7 nach Anspruch 1 - 6 dadurch gekennzeichnet, dass das Anlassen der Expansionsdampfmaschine von Hand, etwa mittels Schwungradanlassers oder mittels gleichzeitig zugeführter bivalenter Wärme, erfolgt.

   Anspruch 8 nach Anspruch 3 - 6 dadurch gekennzeichnet, dass die für den Antrieb einer Wärmepumpe erforderliche Leistung mittels Expansionsdampfmaschine erzeugt wird, welche die erforderliche Wärmeenergie ausschließlich aus bivalenter Wämme bezieht.

   Anspruch 9 nach Anspruch 4, 5, 6 und 7 dadurch gekennzeichnet, dass die aus Uewelt- oder Abwarme gewonnene mechanische Leistung zum Antrieb einer Kühlpumpe innerhalb einer Kuhl- oder Klimatisierungsanlage genutzt wird, wobei weiterhin die Möglichkeit besteht, auch die abgeführte Wärme der Kühlanlage als Wårmequelle auszunutzen und das ganze zu einem einheitlichen System zu vereinigen, dass u.U. unkehrbar gefahren werden kann.