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FRIED. KRUPP GESELLSCHAFT MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG
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in Essen Wärmepumpe Die Erfindung betrifft eine insbesondere zur
Gebäudeheizung und Brauchwassererwärmung verwendbare Wärmepumpe, deren geschlossener
Kreislauf mindestens einen Kondensator, einen Verdampfer und ein dazwischen geschaltetes
Entspannungsventil. sowie als Antriebsmittel eine Strahlpumpe, eine Druckpumpe und
einen mit- fossilen Brennstoffen beheizbaren Kessel besitzt.
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Wärmepumpen bringen mit Hilfe zugeführter Energie Wärme von einem
Wärmespeicher tiefer Temperatur, im allgemeinen der Außenumgebung, in einen solchen
mit höherem Temperaturniveau. Die-nach dem Prinzip des thermodynamischen Kreisprozesses
arbeitende bekannte Wärmepumpe besteht aus einem Kompressor, in dem ein gasförmiges
Arbeitsmittel unter Energiezufuhr komprimiert und erwärmt wird, einem Kondensator,
in dem sich das komprimierte, gasförmige Arbeitsmittel durch Abgabe von Kondensationswärme
verflüssigt, einem Entspannungsventil, in dem das komprimierte flüssige Ärbeitsmittel
entspannt wird, und einem Verdampfer, in dem das entspannte flüssige Arbeitsmittel
durch Aufnahme von Wärme niedriger Temperatur verdampft. In vielen Fällen konnten
sich diese Wärmepumpen jedoch deshalb nicht durchsetzen, weil der Nutzung der Umgebungswärme
meist ein großer apparativer Aufwand mit hohen Investionskosten gegenüberstand.
Zudem haben sich die bisher bekannten Wärmepumpen als störanfällig erwiesen.
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Erst in der DE-OS 26 29 345 wird eine Wärmepumpe beschrieben, bei
der eine Heißflüssigkeitsstrahlpumpe als Verdichter vorgeschlagen wird. Obwohl der
Wirkungsgrad dieser Wärmepumpe
damit erheblich erhöht werden konnte
und die einfache Bauweise auch zu einer Senkung der Investitionskosten und zu einer
Erhöhung der Betriebssicherheit führte, sollen weitere Verbesserungen vorgenommen
werden.
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Insbesondere soll es dabei Aufgabe der Erfindung sein, die zugeführte
Energie besser zu nutzen.
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Die Aufgabe wird durch eine Wärmepumpe der im Patentanspruch 1 beschriebenen
Art gelöst. Für den Brennerbetrieb kann dabei auf Energiequellen wie Gas, bl oder
Kohle zurückgegriffen werden, wobei der Kessel vorteilhafterweise sowohl die Erhitzung
der Treibflüssigkeit als auch die Überhitzung des Saugdampfes und zeitweise zusätzlich
die Aufgabe der Verdampfung des Arbeitsmittels im Zusatzverdampfer übernimmt. Die
Erhitzung der Treibflüssigkeit wird in einem Rohrschlangenwärmeaustauscher im Brennraum
des Kessels durchgeführt, während die Überhitzung des Saugdampfes konvektiv in einem
mit Rauchgas beheizten Wärmetauscher erfolgt. Der Erhitzer ist vorteilhafterweise
mit der Treibdüse einer Heißflüssigkeitsstrahlpumpe verbunden, die sich durch einfache
Bauweise auszeichnet. Eine Heißflüssigkeitsstrahlpumpe besteht im einzelnen aus
einer Treibdüse, einer Saugdüse, einem Mischrohr und einem Diffusor. Das in die
Treibdüse gelangende heiße, komprimierte, flüssige Arbeitsmittel wird mit dem durch
die Saugdüse angesaugten, entspannten gasförmigen Arbeitsmittel auf dieselbe Isotherme
expandiert, vermischt und schließlich im Diffusor auf höheren Druck gebracht. Damit
eignet sich die Heißflüssigkeitsstrahlpumpe in Verbindung mit dem vorgeschalteten
überhitzer vorzüglich als Verdichter.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besitzt der Kessel
einen mit dem Brenner ausgestatteten, getrennten Brennraum. Dieser ist über eine
Rohrleitung mit dem Zusatzverdampfer verbunden, dem der Uberhitzer nachgeschaltet
ist.
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Damit wird .vorteilhafterweise erreicht, daß im Brennraum die Brennerflamme
das flüssige, unter Druck stehende Arbeitsmittel im Erhitzer erwärmt, wobei nur
ein Teil der Energie übertragen wird, während der andere Teil durch Austritt der
Rauchgase aus dem Erhitzer nutzbar gemacht wird. Die Rauchgase gelangen zu dem Zusatzverdampfer,
wo je nach Betriebsweise das betreffende flüssige oder dampfförmige Arbeitsmittel
erwärmt wird. Die in den Rauchgasen verbleibende Energie wird in einem weiteren
Wärmetauscher, dem Überhitzer, zur Uberhitzung des vom Zusatzverdampfer kommenden
Arbeitsmittels verwendet. Dabei werden durch weitere Energieentnahme die Rauchgase
bis auf das für das Verlassen des Heizkessels notwendige Maß abgekühlt. Das im Zusatzverdampfer
bewegte Arbeitsmittel fließt bezüglich der Rauchgase im Gleichstrom, während der
Überhitzer im Gegenstrom arbeitet.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden in der Wärmepumpe
der Erhitzer und der Zusatzverdampfer als Rohrschlangenwärmetauscher mit unterschiedlichen
Krümmungsradien der Rohrschlangen ausgebildet und in bezug auf deren gemeinsame
Achse in verschiedenen Lagen übereinander angeordnet. Vorteilhafterweise ist damit
eine kompaktere Bauweise des Heizkessels möglich. Im übrigen ist gleichzeitig der
Kessel aufgrund seiner kleineren Wärmeaustrittsfläche leichter zu isolieren.
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Vorteilhafterweise sind für den Zusatzverdampfer Einrichtungen vorgesehen,
die eine steuerbare Vermischung von Zusatzluft mit den Rauchgasen ermöglichen. Die
Zufuhr von Zusatzluft ist insbesondere dann erforderlich, wenn das im Zusatzverdampfer
befindliche gasförmige Arbeitsmittel vorgeschriebene Maximaltemperatur zu Überschreiten
droht, oberhalb derer sich das Arbeitsmittel zersetzt.
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Der Brenner kann erfindungsgemäß in zwei Stufen betrieben werden.
Bei der "normalen" Betriebsweise mit minderer Leistung, d.h. wenn der Verdampfer
der Umgebung verwertbare Energie entziehen kann, wird einerseits das flüssige, unter
Druck stehende Arbeitsmittel im Erhitzer erwärmt und zur Heißflüssigkeitsstrahlpumpe
weitergeführt und gleichzeitig durch die Rauchgasenergie der vom Verdampfer kommende
Strom des entspannten Arbeitsmittels überhitzt und ebenfalls der Heißflüssigkeitsstrahlpumpe
zugeführt. Ist die Umgebungstemperatur zu stark abgesunken, wird der Kesselbrenner
mit erhöhter Leistungsabgabe betrieben. Neben der Erhitzung des flüssigen, unter
Druck stehenden Arbeitsmittels wird das entspannte Arbeitsmittel nicht an der Umgebungsluft,
sondern innerhalb dos Kessels im Zusatzverdampfer verdampft und anschließend überhitzt.
Der Zusatzverdampfer wird dementsprechend nur bei Ausfall des Verdampfers vollständig
genutzt; erst dann entsteht ein erhöhter Energiebedarf, dem.durch die (außen-) temperaturgesteuerte
Zweistufigkeit des Brenners Rechnung getragen wird.
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Schließlich sind zur Umgehung des Verdampfers eine Leitung und entsprechende
Dreiwegeventile zur Umlenkung des Arbeitsmittelstromes vorgesehen. Damit kann zum
einen bei niedriger Außentemperatur, denen der Verdampfer ggf. ausgesetzt ist, dieser
vollständig abgeschaltet und das Arbeitsmittel um ihn herum geführt werden. Zum
anderen sind Wartuncsarbeiten am Verdampfer ohne Abschalten der Wärmepumpe durchführbar.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt.
Es zeigen Fig. 1 den schematischen Aufbau der erfindungsgemäßen Wärmepumpe
Fig.
2 je eine Ausgestaltung des Heizkessels im und 3 Querschnitt und.
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Fig. 4 den schematischen Aufbau einer Heißflüssigkeitsstrahlpumpe.
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Das in Fig. 1 dargestellte Schaltprinzip des Kessels 2 mit Brenner
1 zeigt einen Erhitzer 3, einen Zusatzverdampfer 4 und einen Überhitzer 5, die jeweils
als Wärmet.auschcr ausgebildet sind. Die räumliche Anordnung des Brenners und der
genannten Wärmetauscher ist Fig. 2 und 3 zu entnehmen. Der Erhitzer 3 ist mit der
in Fig. 4 dargestellten Treibdüse 18 der Heißflüssigkeitsstrahlpumpe 6 ebenso verbunden
wie der Überhitzer 5 mit der Saugdüse 19 der Heißflüsssigkeitsstrahlpumpe 6. Das
in dieser Heißflüssigkeitsstrahlpumpe 6 komprimierte Arbeitsmittel wird einem oder
mehreren Kondensatoren 7, 7', meist Brauch-und Heizungswasserspeichern, zugeführt.
Das die Kondensatoren 7, 7' verlassende Arbeitsmittel wird zum Teil über eine Druckpumpe
10 wieder dem Erhitzer 3 zugeführt, während der restliche Strom des flüssigen, komprimierten
Arbeitsmittels über ein Entspannungsventil 8 sowie einen Verdampfer 9 dem Zusatzverdampfer
4 zugeleitet wird. Dem Verdampfer 9 ist jeweils ein Dreiwegeventil 11 bzw. 11' vor-
bzw. nachgeschaltet, so daß über Leitung 14 der Verdampfer 9 umgangen und das entspannte
Arbeitsmittel unmittelbar dem Zusatzverdampfer 4 zugeführt werden kann. Den Kondensatoren
7, 7' werden jeweils in bekannter Weise Heißwassermengen zur Gebäudeheizung und
Warmwasserbereitstellung entnommen.
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Exemplarisch ist in Fig. 1 eine Fußbodenheizung 13 mit davorgeschalteter
Umlaufpumpe 12 dargestellt.
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Zweckmëßigerweise ist ein mit dem Brenner und einem im Kreislauf befindlichen
Temperaturfühler verbundener Temperaturregler 15 vorgesehen.
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Schließlich ist am Kessel 2 ein Ausgleichsgefäß 21 vorgesehen.
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Der in Fig. 2 dargestellte Kessel 2 zeigt eine raumsparende Anordnung
des Brenners 1, des Erhitzers 3, des Zusatzverdampfers 4 sowie des Überhitzers 5.
Hieraus sind auch der Kreisläufe 22, 22' der Treibflüssigkeit in dem Erhitzer, die
Strömungsrichtung 23, 23', 23" des Rauchgases sowie der Kreislauf 24, 24', 24",
24'", 24"" des flüssigen bzw. dampfförmigen Arbeitsmittels im Verdampfer bzw. Überhitzer
zu entnehmen. Zur Abkühlung der Rauchgase ist eine Zuführleitung 25 mit einer nicht
dargestellten Steuerungseinrichtung für Zusatzluft vorgesehen. Eine andersartige
Ausgestaltung des Kessels 2 ist aus Fig. 3 ersichtlich, wo Erhitzer 3 und Zusatzverdampfer
4 in bezug auf deren gemeinsame Achse übereinander angeordnet sind.
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Die in Fig. 4 dargestellte Heißflüssigkeitsstrahlpumpe 6 besteht aus
einer Treibdüse 18, einer Saugdüse 19, dem Mischrohr 26 und dem Diffusor 27. Der
von der Druckpumpe 10 komprimierte Treibmittelstrom, meist chlorierte und/ oder
fluorierte Kohlenwasserstoffe, wird im Erhitzer nahezu auf Siedezustand erwärmt,
bevor er der Treibdüse 18 der Heißflüssigkeitsstrahlpumpe 6 zugeführt wird. Gleichzeitig
wird das vom Überhitzer kommende, entspannte Arbeitsmittel der Saugdüse 19 der Hei.fl.issiqkeitsstrahlpumpe
6 26 zugeführt, mit dem Treibmittelstrom im Mischrohr vermischt, und im Diffusor
27 komprimiert bevor es in gasförmigem Zustand zu den Kondensatoren 7 bzw. 7' gelangt.
Mit dem Wärmeoehalt des komprimierten Treismittelgases wird Brauchwasser bzw. Heizungswasser
erwärmt. Das abgekühlte Arbeitsmittel wird zum Teil über die Druckpumpe 10 wieder
dem Erhitzer 3, zum Teil über ein Entspannungsventil 8 in ent-
spannter
Form nach Durchlauf des Verdampfers 9 dem Zusatzverdampfer 4 und von dort aus dem
Überhitzer 5 zugeführt. Die Aufnahme der Niedertemperatur-Energie vollzieht sich
i.m Verdampfer 9, wobei das flüssige Arbeitsmittel durch die Wärmezufuhr verdampft
wird.
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Ein nach der Erfindung realisiertes System besaß als untere Grenze
für die Energieentnahme aus der Außenluft durch den Verdampfer eine Verdampfungs-Temperatur
von OOC. Sobald nun die Temperatur der Außenluft unter die 0 Übertemperaturschwelle
von ca. 3 C abfällt, ist ein kontinuierlicher Betrieb des Verdampfers nicht mehr
möglich. Außerdem wird das von der Heißflüssigkeitsstrahlpumpe aufzubringende Druckverhältnis
unoünstiger.
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Unterhalb der vorgenannten Temperatur wird nach der vorliegenden Erfindung
die Verdampfung des Arbeitsmittels ebenfalls in dem Heizkessel durchgeführt, so
daß nun auch die Verdampfungsenergie in Form von Primärenergie zugeführt wird. Damit
vermeidet man die bisher erforderliche Bivalenz von Heizsystemen, die eine aufwendige
Apparatur erfordert.
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Die oben beschriebene Wärmepumpe ist mit CH2 C12 als Arbeitsmittel
betrieben worden, wobei die Verdampfungstemperatur OOC und die Kondensationstemperatur
45°C betragen hat. Bei einer Abgabeleistung von 15 kW besitzt die Wärmepumpe eine
Leistungsziffer von 1.5, wobei die LeistungsaufnaLme d Druckpumpe von 0,30 kW berücksichtiot
ist. Die Temperatur des Treibmittelstromes hat 1300C, die des überhitzten Saugdampfes
2500C betragen.