DE3129133C2

DE3129133C2 - Wärmepumpe mit Gas oder Luft als Kältemittel

Info

Publication number: DE3129133C2
Application number: DE19813129133
Authority: DE
Inventors: Robert C. 8000 München Groll
Original assignee: Individual
Current assignee: EVANS, VINCENT K., BEWDLEY, WORCESTERSHIRE, GB
Priority date: 1980-07-23
Filing date: 1981-07-23
Publication date: 1986-07-17
Also published as: DE3129133A1

Abstract

Bei einem Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpe, einer Klimaanlage od.dgl. wird angestrebt, die Wirtschaftlichkeit im Betrieb zu verbessern. Außerdem soll eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens geschaffen werden. Dies wird dadurch erreicht, daß man jeweils eine bestimmte Gewichtsmasse an Luft oder Gas einem Vorrat zuführt und gleichzeitig diesem Vorrat die gleiche Masse bei gleichem Druck entnimmt und die entnommene Masse anschließend entspannt und aus dem Vorratssystem entfernt, um sie schließlich durch eine gleichgroße Luft- oder Gasmasse zu ersetzen, wobei die entfernte und entspannte Masse der Atmosphäre oder einem gesonderten Vorratssystem zufließt und die Ersatz-Luft- oder Gasmasse zum anschließenden Druckausgleich an das Vorratssystem der Atmosphäre oder dem gesonderten Vorratssystem entnommen wird. Als Vorrichtung bietet sich eine an sich bekannte Rotationspumpe mit bevorzugt exzentrisch gelagerten Drehkolben bzw. Rotor an.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmepumpe mit Gas oder Luft als Kältemittel, bestehend aus einer Maschine mit einer Kompressions- und Entspannungsseite, sowie mit einem Rotor mit mindestens drei Flügeln, wobei Ein- und Auslaß dicht beieinander liegen und an einen ersten Luft- oder Gas-Vorratsbehälter angeschlossen sind und daß ferner diesen Anschlüssen je eine weitere Ein- und Auslaßöffnung etwa radial gegenüberliegt, die an einen zweiten Vorratsbehälter angeschlossen sind.

In der DE-OS 25 19 371 ist eine gattungsgemäße Vorrichtung beschrieben, bei der eine Verbesserung des Nutzeffektes oder des Wirkungsgrades angestrebt wird. Dies soll dadurch erreicht werden, daß kompressionsseitig ein fein verteiltes Zusatzmedium von hoher Wärmekapazität und Verdampfungswärme in das durch den Einlaß strömende Gas eingebracht wird, wobei das Zusatzmedium im Gas kompressionsseitig Wärme entzieht und entspannungsseitig eine Phasenänderung vom dampf- in den nicht dampfförmigen Zustand erfährt. Es mag zutreffend sein, daß mit dem Einsprühen eines Zusatzmediums gewisse Verbesserungen erzielbar sind, jedoch läßt die Steuerbarkeit einer solchen Anlage zu wünschen übrig, ganz abgesehen davon, daß insbesondere die Wirtschaftlichkeit und der Energiebedarf unbefriedigend sind.

Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Wärmepumpe derart weiterzuentwickeln, daß über eine besondere Konstruktion der Wärmepumpe und auch über eine gewisse Steuerbarkeit die Leistungsziffer erhöht wird, also ein wirtschaftlicher Betrieb möglich erscheint.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Maßnahmen gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1. Bezüglich der vorteilhaften Lösungsgedanken zu der gestellten Aufgabe wird auf die Zeichnungsbeschreibung verwiesen.

Wenn man die erfindungsgemäße Wärmepumpe verfahrenstechnisch betrachtet ergibt sich deshalb ein wirtschaftlicher Betrieb, weil man jeweils eine bestimmte Gewichtsmasse an Luft oder Gas einem Vorrat zuführt und gleichzeitig diesem Vorrat die gleiche Masse bei gleichem Druck entnimmt und die entnommene

ίο Masse anschließend entspannt und aus dem Vorratssystem entfernt, um sie schließlich durch eine gleich große Luft- oder Gasmasse zu ersetzen, wobei die entfernte und entspannte Masse der Atmosphäre oder einem gesonderten Vorratssystem zufließt und die Ersatz-Luftader Gasmasse zum anschließenden Druckausgleich an das Vorratssystem der Atmosphäre oder dem gesonderten Vorratssystem entnommen wird. Auf diese Weise ist es möglich, den zuvor aufgeführten Nachteilen tatsächlich Herr zu werden.

In dem Bestreben, die Wärmepumpe und ihren Aufbau möglichst einfach zu halten, erscheint es zweckmäßig, nach Anspruch 2 vorzugehen.

Um die Wärmepumpe den jeweiligen Verhältnissen bzw. Bedürfnissen besser anpassen zu können, wird die Maßnahme nach Anspruch 3 vorgeschlagen.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht; es zeigt

Fig.I eine erfindungsgemäße Wärmepumpe im Axialschnitt und

F i g. II die gleiche Wärmepumpe innerhalb einer Gesamtanordnung, vereinfacht dargestellt

Die Wärmepumpe, insbesondere nach F i g. I, ist an der Stelle des kreisförmigen Pumpengehäuses 1, wo der exzentrisch gelagerte Rotor 2 die Gehäuseinnenfläche gleitend berührt mit einer Druckleitung 3 für die linke Verdichterseite und mit einer Leitung 4 für die rechte Entspannungsseite versehen, die beide mit einem aus F i g. II ersichtlichen ersten Wärmeaustauscher bzw. Vorratsbehälter 14 verbunden sind. O:e Öffnungen der Druckleitungen 5, 6 sind so angeordnet, daß sie durch die vorbeistreichenden Rotorflügel 7 gesteuert werden, und zwar in der Weise, daß bei 5 genau die gleiche Luftmasse in den Vorratsbehälter 14 bei demselben Druck ausgestoßen wird, die über die Leitung 4 bei 6 wieder zugelassen wird. Anschließend wird die auf der Entspannungsseite zugelassene Luft entspannt, wobei sie kinetische Energie in die Schwungmasse abgibt und der Druck z. B. bis auf eine Atmosphäre absinkt im Einklang mit dem entsprechenden Temperaturabfall.

Soll aber mit dieser Maschine zum Zwecke einer Raumoder Hausbeheizung aus dem Vorratsbehälter 14 fortlaufend Wärme auf Heiztemperatur abgeführt werden, dann müssen die abgegebenen Wärmemengen aus der Umgebung wieder zugeführt werden, um dann auf ein höheres Temperaturniveau gepumpt zu werden. Damit die gewünschte Wirkung auf einfachste Weise erzielt werden kann, genügt es, die Verbindung mit der atmosphärischen Umweltluft über Öffnungen 8, 9 auf der Pumpenniederdruckseite so herzustellen, daß genannte

Öffnungen ebenfalls durch die Rotorflügel 7 gesteuert werden. Da beide Öffnungen 8, 9 etwa gleichzeitig öffnen und schließen, wird die erkaltete Luft durch die Öffnung 9 in die Umgebung geschleudert und durch wärmere Luft aus der Umgebung ersetzt, die durch die

Öffnung 8 einströmt. Die von dieser Art Wärmepumpe in ihrer einfachsten und unaufwendigsten Ausführung aufgenommenen und auf höhere Temperatur gehobenen Wärmemengen werden demnach direkt mit der

Luft aus der Umgebung in die Maschine eingebracht, weshalb man auf der Niederdruckseite dieser Anordnung ohne Druckbehälter und ohne Wärmeaustauscher bzw. Vorratsbehälter auskommen kann. Soll aber die Wärme aus einer anderen Wärmequelle, z. B. aus dem Erdreich oder einem Gewässer entnommen und bei Atmosphärendruck in die Maschine geleitet werden, dann wird die Niederdruck- bzw. Entspannungsseite der Anordnung gegen die Umgebung durch einfachste Mittel, wie durch einen zweiten Vorratsbehälter 15, z.B. aus Rohren oder Schläuchen, durch einen Plastiksack oder eine Schutzhülle aus Papier oder durch andere wärmedurchlässige Materialien abgeschirmt, so daß man von einem geschlossenen System sprechen kann.

Die Wirtschaftlichkeit der Anordnung kann aber noch dadurch erheblich verbessert werden, wenn in dem geschlossenen System der Druck der Niederdruck- bzw. Entspannungsseite vervielfacht wird, bis sich vorgesehene bleibende, beidseitige Druckverhältnisse eingestellt haben.

Gemäß dem vorausgegangenen Beschrieb dehnt diese Kalt-Luft-Wärmepumpe die aus dem Vonatsbehälter 14 isobar eingeströmte Luft in dem durch den ringförmigen Pumpenteil und den Rotorflügeln 7 gebildeten Kammern während etwa einer halben Rotorumdrehung adiabatisch aus, wobei die dadurch gewonnene mechanische Energie im Schwungrad gespeichert wird. Diese Energie reicht in dem reversibelen System aus, um den Anfangszustand des Gases und aller Teile wieder herzustellen. Der erreichbare Nutzeffekt ist Null.

Ist die Vorrichtung jedoch im Betrieb um Wärme von einer niederen Temperatur 7Ί auf eine höhere Temperatur T zu pumpen, dann muß laufend Wärme von der Temperatur 71 aus der Umgebung aufgenommen werden können. Zu diesem Zweck wird die Temperatur im Wärmeaustauscher (Vorratsbehälter) durch Abkühlung soweit wie notwendig zur Raumbeheizung heruntergedrückt, daß die Luft nach der Entspannung die Temperatur Ti besitzt, die erheblich kleiner als die Umgebungstempeiatur 71 sein soll. Dabei ergibt sich, daß auch der Druck des abgekühlten Gases P₂ kleiner als der Umgebungsdruck P\ ist In diesem Falle wird ein Teil der Antriebsenergie dadurch erhalten, daß rechtzeitig Umgebungsluft in die Luftkammern zufließen und dadurch den Umgebungsdruck Pj erhalten kann.

Durch die Einlaßöffnungen 11 (vgl. Fig. I) strömt Umgebungsluft über den Einlaß 10 in die jeweilige Luftkammer ein, sobald sich dia Ventile in den Einlaßkanälen 11 unter dem Überdruck der Umgebungsluft öffnen.

Der gleiche Vorgang vollzieht sich auf der Verdichterseite der Wärmepumpe, allerdings in der umgekehrten Reiheniolge. Sobald durch die Ein- und AuslaBöffnungen 8, 9 der beschriebene Spülvorgang stattgefunden hat, wird die aufgenommene Luft anschließend verdichtet. Durch den Wärmeaustausch mit der Umgebung hat aber eine Entropievermehrung stattgefunden. Infolgedessen reicht die im Schwungrad gespeicherte Energie zur Verdichtung der Luft nicht mehr aus. Damit die Energiebilanz möglichst günstig ausfällt, sind öffnungen 12, 13 vorgesehen, die über Ventile das Gas bzw. die Luft in den Vorratsbehälter 14 entweichen lassen, sobald der Druck in einer Kammer den Druck P des Vorratsbehälters 14 erreicht hat bzw. zu übersteigen droht.

Die öffnungen 11, 12, 13 sind derart gestaltet und angebracht, daß sie von den Rotorflügeln 7 oder einem anderen Pumpenelement so abgedeckt bzw. verschlossen werden, daß keine Querverbindung zu einer oder mehreren anderen Gaskammern entsteht. Im Falle des Vorhandenseins mehrerer solcher Druckausgleichsöffnungen bzw. Kanäle sind diese Öffnungen so gestaltet, daß die Versperrung oder Ausschaltung einer öffnung oder einer Gruppe von öffnungen nur gleichzeitig mit der Verriegelung aller vorhandenen Öffnungen oder Gruppen von öffnungen auf der jeweiligen Pumpenseite erfolgt, wie aus F i g. I ersichtlich. Auf diese Weise bleibt jede Kammer gegen jede andere während einer Umdrehung des Rotors 2 abgetrennt

Nachdem das Druckverhältnis P/P2 von dem Volumenverhältnis Vi/ V abhängigist, erscheint es zweckmäßig, mehrere aufeinanderfolgende und verschließbare bzw. durch die Rotorflügel 7 gesteuerte Einlaßöffnungen X vorzusehen. Dadurch können verschiedene Druckverhältnisse, wie etwa 10, 15, 20 etc. eingestellt bzw. bestimmt werden.

Entsprechend F i g. I ist in F i g. Il das Pumpengehäuse und damit die ganze Pumpe mit 1 bezeichnet Ebenso sind Einlaß mit 6 und Auslaß mit 5 gekennzeichnet und der Vorratsbehälter mit der Bezug^-ahl 14 versehen. Zur Klarstellung sind der weitere Aus'aß 9 und der weitere Einlaß 8 an den Vorratsbehälter 15 angeschlossen, wobei Ein- und Auslaß 8,9 zweckmäßigerweise so gelegt sind, daß die natürliche Fliehkraft usw. das Entleeren und Füllen erleichtert

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wärmepumpe mit Gas oder Luft als Kältemittel, bestehend aus einer Maschine mit einer Kompressions- und Entspannungsseite, sowie mit einem Rotor mit mindestens drei Flügeln, wobei Ein- und Auslaß dicht beieinander liegen und an einen ersten Luft- oder Gas-Vorratsbehälter angeschlossen sind und daß ferner diesen Anschlüssen je eine weitere Ein- und Auslaßöffnung etwa radial gegenüberliegt, die an einen zweiten Vorratsbehälter angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Entspannungsseite im Maschinengehäuse (1) zusätzlich in Laufrichtung versetzte Einlaßöffnungen (11) vorgesehen sind, durch die bei Unterdruck Gas oder Luft einströmt und die zu dem zweiten Vorratsbehälter (15) gehörigen Ein- und Auslaßöffnungen (8, 9) radial versetzt angeordnet sind und auf der Verdichterseits des Maschinengehäuses (1) vor dem Auslaß (5)üisätzliche Auslaßöffnungen (12,13) vorgesehen sind, die zu dem ersten Vorratsbehälter (14) führen.

2. Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Auslaßöffnungen (12,13) von den Rotorflügeln (7) gesteuert sind.

3. Wärmepumpe nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß (6) von in Laufrichtung aufeinanderfolgenden Einlaßöffnungen gebildet ist, die einzeln verschließbar sind.