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. "Gewinn mechanischer Leistung aus Umweltwärme
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zwecks Antriebs einer Wärmepumpe bzw. einer Kältepumpenanlage oder
anderer mechanisch bewegter Geräte Bezeichnung des Zusatzpatentes " Erzeugung von
Heizwärme aus Umweltwärme mittels des Abdampfes eines zum Antrieb der Wärmepumpe
dienenden Kaltdampfmotors"
Bezeichnung Erzeugung von Heizwärme aus
Umweltwärme mittels des Abdampfes eines zum Antrieb der Wärmepumpe dienenden Kaltdampfmotors.
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Beschreibung In der Zeichnung Abb. 1 ist mit 1 der Verdampfer bezeichnet.
Die Wårmepumpe 2 entzieht in bekannter Weise mittels dieses Verdampfers aus der
Umweltwärme unter Verwendung eines bekannten Kältemittels wie z.B. Frigen die zur
Beheizung vorgesehene Wärmemenge. Anschliessend wird der Frigendampf auf höheren
Druck und höhere Temperatur gepumpt. Nach diesem Vorgang passiert der annahmsweise
auf 70 ° C und 8 bar verdichtete Dampf eine Aufheizungsanlage 3. Diese Beheizung
ersetzt gewissermassen die bei einer konventionellen mit Elektromotor betriebenen
Wärmepumpenanlage erforderliche mechanische Energiezufuhr durch entsprechende Wärrezufuhr
und heizt die Temperatur des Dampfes von den angenommenen 70 ° C z.B. auf 150 -
160 ° C auf. Um darüberhinaus verbunden mit der Temperaturerhöhung auch eine entsprechende
Dampfdruckerhöhung auf beispielsweise 20 bar zu bewirken, kann bei 4 ein Rückschlagventil
vorgesehen werden, welches sich periodisch ggfs.
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auch durch ein entsprechend gesteuertes Organ bei Abfall des Dampfdruckes
oder der Temperatur im Erhitzer 3 schliesst und öffnet. # In der Abbildung ist gemäss
der Bezeichnung 3 vorgesehen, dass die Wärmezufuhr z.B. durch Gas- oder Oelfeuerung
indirekt erfolgt, indem dle Heizschlanae mit dem Kältemitteldampf durch einen drucklosen
Behälter geführt wird, der mit einem thermostatilen und erst bei hohen Temperaturen,
wie sie für diesen Prozess nicht infragekommen, siedendem flussigen Warmetibertrager
gefüllt ist. Die Temperatur dieses Wärmeübertragers wird durch automatische Regelung
auf eine jeweils wünschenswerte Temperatur eingestellt.
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Selbstverständlich kann man auch ohne diesen drucklosen Wärmeübertrager
eine direkte Beheizung des von der Wärmepumpe 2 gelieferten Dampfes mit entTrechender
Wärmeregulierung vorsehen.
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Eine weitere Regelung könnte durch einen Bypass zum Erhitzer und ein
Misch-Die Versorgung des Erhitzers mit dem von der Wärmepumpe kcmmenden Arbeitsmitteldampf
könnte aber auch mittels eines vom Erhitzer gespeisten Dampfstrahlinjektors oder
durch einen Dampfkompressor erfolgen.
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ventil erfolgen. Nach Verlassen des Danpferhitzers 3 gelangt der nunmehr
qualifizierte Kältedampf zu einem Dampfmotor 5 und expandiert hier bis auf eine
Abdampftemperatur, wie sie für die beabsichtigten Heizzwecke erforderlich ist. Diese
Abdampftemperatur lässt sich z.B. durch entsprechend vorzeitige Öffnung des Auslassventils
des DAmpfmotors vor dem unteren Totpunkt regeln. Der Abdampf gelangt sodann über
einen Wärmeaustauscher 6 gegebenenfalls über ein Expansionsventil 7 wieder zurück
in den Verdampfer 1.
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Der Antrieb der Wärmepumpe 2 erfolgt durch den Dampfnotor 5-. Zum
Antrieb der Wärmepumpe mit den oben als Beispiel eingegebenen Daten von 1o kw für
elektromotorischen Antrieb, muss der Dampfmotor seinerseits eine Leistung von 1o
kw nach. aufbringen. Zur Verfügung stehen 50 kwth Dampf, geliefert von der Wärmepumpe
aus Umweltwärme und zusätzlich 1o kwth, die wesentlic h der Wertverbesserung des
Dampfes bezüglich Druck und Temperatur durch den Erhitzer 3 gelten. - immer ausgehend
von den als Beispiel genannten Daten.
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Damit steht ein Dampfvolumen von insgesamt 60 kwth mit einer Temperatur
von z.B. 150 - 16o ° C und einem Druck von z.B. 20 bar zur Verfügung.
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Bei diesem Dampfvolumen von 60 kwth qualifizierten Druckes und entsprechender
Temperatur würde ein mechanischer Wirkungsgrad von 16,6 % des Dampfmotors ausreichen,
um die Warme pumpe anzutreiben. 73 e des Dampfes, d.h.
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44 kwth fliessen in Form des Abdampfes in den Kondensator zu Beheizungszwecken.
Es versteht sich, dass die obengenannten Daten beispielhaft und sogar unreal sind.
Erst genaue Uberlegungen und Berechnungen und praktische Versuche können dazu führen,
ein Optimum an Heizleistung mittels der Wärme-Pumpe aus Umweltwärme zu erreichen,
um die bivalent zugeführte Warne. mittels des Dampferhitzers 3 auf niedrigsten Wert
im Verhältnis zur gewonnenen Wärme aus Umweltwärme zu bringen. Es erscheint aber
vorteilhaft, dass die Verdampfungswärme ausschließlich mittels der Wärmepumpe aus
Umweltwärme geliefert wird, während die bivalent zugeführte Wärme lediglich der
Qualitätsverbesserung dient.
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Es ist nicht unangebracht, einen Vergleich mit der konventionellen
mittels Elektromotor angetriebenen Waimepuppe unter Verwendung der gleichen fiktiven
Werte
anzustellen. Ein Elektromotor von 10 kw treibt eine Wärmepumpe an.
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Das Ergebnis sei ebenfalls 50 kwth = = 43 ooo kcal Heizwärme.
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Ber Dampfmotor von lo kwth mach. treibt die Wärmepumpe an und erbringt
aus Umweltwärme ebenfalls 43.000 Kcal. Für den Antrieb der Wärmepumpe werden hier
ebenfalls lo kwth verlangt. Diese werden aufgebracht durch Zuführung von bivalenter
Wärme von 1o kwth in Form der Erhitzung und Druckerhöhung des Dampfes. Der Vorteil
liegt jedoch darin, dass gegenüber der elektromotorisch angetriebenen Wärmepumpe
eine Unabhängigkeit von der Stromlieferung besteht, die u.U. nur inForm von Nachtstrom
geliefert wird und dann teuere Wärmespeicher notwendig macht. Zudem gelangen bekanntlich
am Ende im Nahverteilungsnetz der Elt-Werke nur ca. 30 % der im Kraftwerk aufgewandten
Primärenergie zum Verbraucher.
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Hingegen werden bei Verwendung eines Kälte-DampfrnOtors nur 1/3 an
Primärenergie aufzuwenden sein. Selbst dieser Wert kann unter besonderen Umständen
noch günstiger sein, wenn von höheren Temperaturen im Verdampferteil der Anlage
oder durch Verbesserung des Wirkungsgrades des Dampfnotots ein höherer Teil der
Umweltwärme bei Verminderung der bivalent dem Dampferhitzer 3 zugeführten Wärme
zum Antrieb des Dampflnotors genutzt wird.
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Dabei wäre auch denkbar, durch einen zusätzlichen und ebenfalls vom
Dampfmotor angetriebenen Dampfkcmpressor oder mittels einer vor der Expansion im
Dampfmotor vorhergehenden Dampfkompression den Wirkungsgrad der Anlage wesentlich
zu verbessern.
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Beim elektromotorischen Antrieb entstehen keine Schornsteinverluste.
Dem wäre entgegenzuhalten, dass diese beim Dampfmotorbetrieb sehr gering gehalten
wrden können, da für die Erhitzung eines Kältemittels, wie z.B. Frigen, selbst Abgastemperaturen
von loo ° C noch über Vorwarmer verwertbar sind und weil der Antrieb des Dampfmotors
zum erheblichen Teil aus kostenloser Umweltwärme erfolgt, gleichzeitig ist eine
höhere Temperatur des Heizdampfes erzielbar.
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Von besonderer Bedeutung der beschriebenen dampfmotorbetriebenen Heizungsanlage
zur Wärmegewinnung aus Umweltwärme ist jedoch, dass sie lediglich durch entsprechende
Regulierung der zugeführten Primarenergie wie z.B. Oel oder Gas selbst bei niedrigsten
Aussentemperaturen von - lo bis - 20 ° die
erforderliche Heizwärme
erbringt. Hierbei muss allerdings davon ausgegangen werden, dass die auszunutzende
Umwelttemperatur nicht in gleichem Maße, d.h. nicht unter etwa 3 ° C sinkt. WUnschenswert
ist demnach Warmegewinnung z.B . aus Grundwasser oder Erdbohrungen, statt aus Luft
Während bei den elektromotorisch betriebenen Wärmepumpen für harte Winter immer
noch eine zweite konventionelle Heizanlage zur Deckung des Wärmebedarfs erforderlich
ist, kann somit eine solche beim dumpfbetriebenen Antrieb der Wärmepumpe entfallen,
weil sie jeden Bedarf durch höhere Zufuhr bivalenter Warme. über den Dampferhitzer
3, verbunden mit entspr.
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Mehr leistung des Dampfmotors und somit der Wärmepumpe decken kann.
Wenn letzteres aus Gründen unzureichender Wärmeleistung aus vorhandener Umweltwärme
nicht möglich ist, könnte eine Mehrleistung des Dampfrtotors teilweise durch eine
Bypassregulierung umgangen werden.
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Es ist möglich, ohne Schwierigkeiten eine Einregulierung des Wärmepumpenbetriebes
auf Sommerbetrieb, d.h. lediglich auf Warmwasserbereitung, durch entspr. Regulierung
der bivalenten Wärmezufuhr evtl. unter gleichzeitiger Regelung der Dampfmotorleistung
einzustellen.
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Schliesslich bietet die vorbeschriebene Kcmbination Wärmepumse, Dampferhitzer
und Dapfmotor aber auch die Möglichkeit, lediglich mechanische Energie zu gewinnen,
wobei die erforderliche Wärmeenergie zu einem erheblichen Teil - man denke an tropische
Länder und Gewässer - aus Umweltwärme gewonnen wird und z.B. als Antrieb von Kälteklima-Anlagen
oder als Bootsantrieb Verwendung finden.
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Das beschriebene Verfahren kann noch eine weitere Verbesserung erfahren,
wenn die Leistung des Dampfmotors nach Antrieb der Wärmepumpe eine Uberschussleistung
aufweist, die ausreicht, um irgendwie geartete Nebenaggregate anzutreiben, wobei
in erster Linie an den Betrieb eines Kleingenerators gedacht ist, durch den die
Lieferung des erforderlichen elektrischen Strans für die automatische bzw. elektronisch
gesteuerte Regelung sämtlicher Regelungsorgane sowie für erforderliche Gebläse,
Umwälzpumpen, Einspritzpumpen etc. erfolgt.
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L e e r s e i t e