-
Patentanmeldung H E I Z A N L A G E
-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Heizanlage unter Verwendung einer
im Idealfall reversibel arbeitenden Wärmepumpe, die durch Zufuhr thermischer Energie
betrieben wird und bei der die Verbrennungswärme des Primärenergieträgers fast vollkommen
genutzt werden kann.
-
In den letzten Jahrzehnten ist zur besseren Nutzung der primären Energieträger,
insbesondere von Heizöl und Erdgas zum Zwecke der Raum- und Gebäudeheizung vorgeschlagen
worden, eine konventionelle Wärmepumpe durch einen Gas- oder Leichtölmotor anzutreiben.,In
solchen Anlagen wird nicht nur die dem kälteren Wärmereservoir entzogene Wärmeleistung
um die mechanische Motorleistung vergrößert, sondern es können auch die Kühlleistung
und Auspuffwärme des Motors genutzt werden. Bei einem thermischen Wirkungsgrad des
Motors von 25 % sollte sich nach diesem Verfahren eine Leistungsziffer von 1,5 erzielen
lassen.
-
Dieser Vorschlag konnte bei größeren Heizleistungen erfolgreich realisiert
werden, sofern für das Maschinenaggregat ein akustisch isolierter Raum im Gebäudetiefgeschoß
zur Verfügung steht und im Fall eines dieselmotorischen Antriebs die hohe Schadstoffemission
toleriert wird.
-
Neben dem bereits genannten Nachteil der Luftverschmutzung durch Leichtölmotoren
stehen einer verbreiteten Anwendung folgende Schwierigkeiten entgegen: 1) Die Zuverlässigkeit
herkömmlicher Wärmepumpen, die bekannte Kältemittel als Arbeitsmedium benutzen,
ist über längere Betriebszeiten bei hoher Einschaltquote noch nicht erwiesen. 2)
Für niedrigere Temperaturen des Pumpreservoirs wird die auf das Fördervolumen zu
beziehende Wärmeleistung des Pumpprozesses infolge der starken Temperaturabhängigkeit
des Dampfdruckes der Kältemittel geringer als bei höheren Eingangstemperaturen sein.
3) Analoge Überlegungen wie in 1) gelten auch für die vom Antriebsmotor zu fordernde
Betriebssicherheit, da von ihm beim Antrieb einer Wärmepumpe in Vergleich
zum
konventionellen Einsatz eine ungleich höhere Lebensdauer gefordert wird. 4) Für
die Beheizung von Einzelhäusern scheidet der Einbau einer solchen Anlage aus, da
die vom Antriebsmotor erzeugten Auspuff- und Ventilgeräusche sowie mechanischen
Vibrationen nur mit größten Schwierigkeiten unterbunden werden können. 5) Da nur
in seltenen Fällen als Pumpreservoir Grund- oder Fließwasser verfügbar ist, und
gewöhnlich die hochzupumpende Wärme leistung der Außenluft entnommen werden muß,
ist neben einer Wärmepumpe eine zusätzliche konventionelle Beheizungsanlage erforderlich,
deren Leistung sogar für den Maximalbedarf ausgelegt werden muß, da bei tiefen Außentemperaturen
die Wärmepumpe nichts liefert und abzuschalten ist.
-
Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe zum Ziel genommen,
als Wärmepumpe ein auf dem bekannten Vuilleumier-Prozeß beruhendes, thermisch betriebenes
Aggregat mit hoher*Leistungsziffer anzuwenden und technische Mittel anzugeben, welche
die nicht direkt und effizient zum Betrieb der Wärmepumpe verbrauchte Heizleistung
des primären Energieträgers (Erdgas, Heizöl) mittelbar zur Erwärmung von Wasser
oder Luft ausnutzt. Da als Arbeitsmedium der hermetisch abgeschlossenen Wärmepumpe
meist Heliumgas unter hohem Druck angewandt wird, liefert sie auch bei einer Außentemperatur
von - 10 OC rund 65 % der Heizleistung, die bei + 10 OC zu erwarten ist.
-
Das besondere Merkmal vorliegender Erfindung besteht darin, daß als
integrierter Teil der Heizanlage ein Nacherhitzer vorgesehen ist, der a) die bei
der Beheizung der thermisch betriebenen Wärmepumpe ungenutzten Verbrennungsgase
durch konvektive Wärmeübertragung in den Nutzwärmekreislauf aufnimmt und b) derart
dimensioniert ist, daß durch Zuschalten weiterer Ö1- und Gasbrenner auch bei abgeschalteter
Wärmepumpe die volle Heizleistung aufgebracht wird. Darüber hinaus ist es in klimatisch
begünstigten Breitengraden möglich, durch einfaches Umschalten die Wärmepumpe im
Sommer als Kuhlaggregat
zur Klimatisierung zu verwenden und den
Nacherhitzer zur Warmwasserbereitung zu nutzen.
-
Die Beschreibung des Erfindungsgedankens geht von der Figur 1 aus,
in der vereinfacht der Aufbau der Heizanlage dargestellt ist und aus der ihre Funktion
erklärt werden kann. Die nach dem Vuilleumier-Prozeß arbeitende Wärmepumpe besteht
aus-dem geschlossenen Kurbelgehäuse 1, an dem die Arbeitszylinder Z1, Z2 mit um
90 ° gegeneinander geneigten Achsen befestigt sind. In den Zylindern bewegen sich
periodisch die Verdrängerkolben 4,4', die durch die Kolbenstangen 7,7' über Pleuel
mit der Kurbelwelle 5 verbunden sind und gegeneinander eine zeitliche Phasenverschiebung
von ungefähr 90 ° besitzen. Die durch die Verdrängerkolben 4,4' getrennten Arbeitsräume
sind über die Wärmetauscher 8,8', die thermischen Regenatoren 3,3' und weitere Wärmetauscher
2,2' miteinander und auch über die Rohrleitung 17 verbunden, so daß- auf die Kolben
4,4' nur dynamische Gaskräfte wirken, die von der Gasreibung in den Wärmetauschern
und Regeneratoren herrühren. Zur Abdichtung der Verdrängerkolben in den Laufbuchsen
der beiden Zylinder reichen daher 0-Ringe aus Kunststoff aus.
-
Die Wirkungsweise dieses geschlossenen thermodynamischen Prozesses
geht vom idealen Gasgesetz pV-mRT und der Tatsache aus, daß zu jedem zeitpunkt und
in jedem Anlageteilvolumen derselbe Gasdruck herrscht. Die Energie für den Betrieb
der Wärmepumpe wird dem Prozeß über den Zylinder Z2 durch die Gasbrenner 9 zugeführt,
welche das in den z. B. plattenförmigen Wärmetauschern 8 pulsierende Arbeitsgas
auf die Temperatur T2= 400 ...600 OC erwärmen.
-
An der unteren Totpunktlage des Verdrängerkolbens 4 befindet sich
damit die maximal mögliche Gasmenge auf der Temperatur T2 und wird nach dem Gasgesetz
im gesamten Arbeitsvolumen der maximal mögliche Gasdruck erzeugt.
-
Umgekehrt besitzt am oberen Totpunkt von 4 der größte Teil der Gasmasse
die Temperatur der Wärmetauscher 2,2'
Wo=40...60 OC oder die des
Wärmetauschers 8 T1=lO...
-
+ 10 OC. In dieser Arbeitsphase stellt sich in der ganzen Anlage ein
minimaler Arbeitsdruck ein, der von den Betriebstemperaturen und den Teilvolumina
der Austauscher und thermischen Regeneratoren abhängt und um 20 bis 30 X geringer
als der Höchstdruck ist. Der Zylinder Z2, dem durch die Brenner 9 eine bestimmte
Wärmeleistung Q2 zugeführt wird, wirkt zusammen mit dem Regenerator 3 daher als
thermischer Kompressor.
-
Der Zylinder Z1, dessen Verdrängerkolben 4' in seiner Bewegung der
des Verdrängers 4 um 90 ° voreilt, erhält durch die Kompressorwirkung des Zylinders
Z2 einen periodisch sich ändernden und mit der Verdrängerbewegung synchron verlaufenden
Arbeitsdruck zugeführt, der sein Maximum dann erreicht, wenn sich der Verdrängerkolben
4' in Figur 1 in der rechten Totpunktlage befindet. Die beiden thermischen Regeneratoren
3,3' bestehen z. B. aus einem dicht gepreßten Stapel von Bronze-oder V2A-Netzen
und werden während eines Arbeitszyklus in entgegengesetzter Richtung bei verschiedenem
Druck des Arbeitsgases durchströmt. Infolge der thermischen Speicherwirkung ihrer
Füllung entspricht die Temperatur des aus dem Regenerator strömenden Gases etwa
derjenigen, die das vor einer Halbperiode einströmende Gas besaß.
-
Das Zusammenwirken der beiden Verdrängerkolben läßt sich anhand von
Figur 2 übersichtlich verfolgen, in der für beide Arbeitsvolumina das p,V-Diagramm
dargestellt ist. Dem Kompressorteil der Anlage wird - ausgehend vom Zustandspunkt
a quasi-isotherm bei T=T2 und zunehmendem Volumen - die Wärmemenge Q2 zugeführt,
wodurch nach dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik die mechanische Arbeit w = (T2-To)Q2/T2
(1) erzeugt und die Wärmemenge QO = T0Q2/T2 (2)
bei der Temperatur
To als Teil der Nutzwärme abgegeben wird. Die Fläche abcd im p,V-Diagramm entspricht
der in einem Zyklus geleisteten Arbeit W. -Der im Zylinder Z1 stattfindende Teilprozeß
a'b'c'd wird entgegen dem Uhrzeigersinn durchlaufen und entspricht einem Wärmepumpen-oder
Kälteprozeß. Bei der tieferen Temperatur T1 wird diesem Prozeß isotherm zwischen
den Zuständen b' und c' die Wärmemenge Ql zugeführt, wobei Pbi=Pb und Pc=pc sowie
mit Hilfe der im Kompressorteil erzeugten Arbeit W nach Gl. (1) auf die Temperatur
T0 "gepumpt", wobei QO = Q1+W = Q1To/Tl (3) Die Nutzheizleistung berechnet sich
aus der Beziehung Qo = Qo' + Q0" (4) und setzt sich additiv aus den bei der Temperatur
T0 abgegebenen Wärmemengen aus beiden Teilprozessen zusammen. Werden diese auf die
dem Prozeß zugeführte Wärmemenge Q2 bezogen, so errechnet sich daraus die Leistungsziffer
E = Q0/Q2= (Tl/T2)(T2-Tl)/(To-Tl) (5) die sich für To=323 K(50 °C), T1=278 K (5
° C), T2=773 K (500 OC) zu £=3,95 ergibt. In diesem Fall beträgt das Verhältnis
Q2/Q1=0,28, d. h. dem Wärmeaustauscher 8 in Figur 1 müssen 28 % der hochzupumpenden
Wärmemenge zugeführt werden.
-
Bei der Realisierung dieses Prozesses treten verschiedene Verlustquellen
auf, welche die in Gl. (5) angegebene Leistungsziffer erniedrigen, doch können durch
konstruktive Maßnahmen, die Teil des Erfindungsgegenstandes sind, in praktischen
Ausführungen Leistungsziffern von 2 und mehr erreicht werden.
-
In Figur 1 ist in vereinfachter Form der grundlegende Erfindungsgedanke
für eine spezielle geometrische Anordnung der Heizanlage- dargestellt. Die Gasbrenner
9,
welche die Antriebsenergie für den Gesamtprozeß liefern, stehen
den z. B. plattenförmigen Wärmetauschern 8 gegenüber und übertragen ihre Wärmeleistung
durch Wärmestrahlung und Gaskonvektion. Erfindungsgemäß ist der Zylinderkopf von
Z2 mit den Brennern 9 und den Austauschern 8 von einem Luftführungsmantel 14 umgeben,
der mit seinem oberen Ende in den Schornstein 15 mündet. Diese nach außen thermisch
isolierte Ummantelung ist an ihrem unteren Ende zum Zwecke der Luftzufuhr offen
und umhüllt den Nacherhitzer 11, der z. B. aus berippten und in Form einer engen
Wendel gewickelten Kupferrohren besteht. Um einen guten Wärmeaustausch mit der aufsteigenden
Gasströmung zu erreichen, ist die Wendel innen mit dem Kernrohr 16 ausgefüllt. Der
Nacherhitzer stellt einen Rippenrohrkessel dar, der vom Warmwasser durchflossen
wird, das in den Wärmetauschern 2,2' vorgewärmt wird. vas zur Beschickung von Konvektoren
oder Fußbodenheizrohren vorgesehene Wasser tritt aus dem Rücklauf des Heizkreises
bei 20 in den Wärmetauscher 2' ein, gelangt über die Verbindungsleitung 13 in den
Wärmetauscher 2 und von dort über die Leitung 12 in den Nacherhitzer 11, den es
mit der maximalen Temperatur bei 21 verläßt.
-
Für den Fall, aß bei zu tiefer Außentemperatur T1 die mit Hilfe der
Wärmepumpe erzeugte Nutzwärme nicht ausreichend ist, sind erfindungsgemäß zusätzliche
Brenner 10 innerhalb des Kesselmantels 14 und oberhalb der Brenner 9 angeordnet,
die ihre Heizenergie unmittelbar durch Strahlung und Konvektion an die Rippen rohre
des Nacherhitzers 11 abgeben. Damit läßt sich der Erfindungsgedanke eines monovalenten
Heizsystems realisieren, das aus einer thermisch betriebenen Wärmepumpe und dem
integrierten Nacherhitzer besteht und durch wahlweises Umschalten des Wasserkreislaufes
und Zuschalten der weiteren Brenner eine vielseitige Anwendung eröffnet. In Figur
3a ist die Umschaltung der Heizanlage für den Betriebsfall dargestellt, daß die
Wärmepumpe abgeschaltet ist und der Heizwasserkreis lediglich
im
Nacherhitzer 11 durch die Brenner 10 erhitzt wird-.
-
Mit Hilfe der Dreiwegeventile 22, 23 werden die Wärmetauscher 2,2'
umgangen und wird der RUcklauf des Warmwasserkreises direkt mit dem Zulaufrohr 12
verbunden.
-
Figur 3b zeigt die Anwendung der Wärmepumpe zum Zwecke der Raumkühlung,
wobei die Wärmetauscher 2,2' vom Wärmeträger mit der Temperatur To durchflossen
wird und der auf die Temperatur T1<T0 tTo äbkühlende Wärmetauscher 8' mit Wasser
oder einer Kühlsole beschickt wird, welche zur Kühlung der Raunluft herangezogen
wird. Gleichzeitig wird durch die Abwärme der Brenner 9 im Nacherhitzer 11 das Warmwasser
aufbereitet.
-
Bei wechselndem Heizleistungsbedarf infolge veränderlicher, äußerer
Klimabedingungen ist erfindungsgemaß eine Leistungsregelung durch Verändern der
Drehzahl des elektrischen Antriebsmotors vorgesehen, da nach Gl. (4) die Nutzleistung
proportional zur Drehzahl der Kurbelwelle 5 ist. Dies wird zweckmäßig in gröberen
Abstufungen mit einem polumschaltbaren Drehstrom-Asynchronmotor erreicht. Entsprechend
den Ansprüchen 6 und 7 ist eine stufenlose Leistungsregelung dadurch möglich, daß
ein zusätzlicher Druckbehälter 24 (s. Figur 1) in den Gesamtkreis über ein verstellbares
Drosselventil 25 im Nebenschluß geschaltet wird, dessen Volumen die mögliche Amplitude
der periodischen Druckschwankung des Arbeitsmediums nach unten begrenzt. Durch Drosselung
des Ventils 25 wird der Druckausgleich zwischen dem Arbeitsvolumen und dem Zusatzbehälter
24 zeitlich verzögert und mehr oder weniger unterbunden. Bei geschlossenem Ventil
25 wird die größte Druckamplitude und damit die höchste Heizleistung, bei ganz offenem
Ventil die kleinste Heizleistung erzielt. Mittels einer selbsttätigen Regelung der
Ventilstellung - abhängig von z. B. der Außentemperatur - läßt sich eine konstante
Raumtemperatur stufenlos und bei konstanter Drehzahl des Aggregats erreichen. Sinngemäß
ist dieses Regelungsverfahren auf den Kühlbetrieb nach Figur 3b anwendbar.
-
Die durch Gl. (5) zu berechnende Leistungsziffer ist annähernd nur
dann zu erreichen, wenn u. a. die Heizleistung der Brenner 9 auf die Hochtemperatur-Wärmetauscher
8 möglichst effektiv übertragen wird. Erfindungsgemäß wird diese Forderung durch
folgende Maßnahmen erreicht: 1) Der Wärmetauscher 8 wird als flacher, druckfester
Hohlkörper ausgebildet, der - wie in Figur 4 gezeigt wird - zur besseren Wärmeübertragung
auf das Arbeitsgas eine große Anzahl von Gasführungskanäle 26 von kleinem Innendurchmesser
besitzt, die durch zwei Sammelkanäle 27 zusammengefaßt sind und über angeschweißte
Rohrstutzen 28 mit dem Zylinderkopf des Kompressorteils Z2 verbunden sind. 2) Zur
Verbesserung der -Wärmeübertragung vom Flachbrenner 9, der den Großteil seiner Heizleistung
in Form von Infrarotstrahlung abgibt, auf den Wärmetauscher 8 ist dieser erfindungsgemäß
auf der dem Brenner zugewandten Fläche mit einer hitzebeständigen, dunklen Schicht
überzogen,\die einen hohen Absorptionsgrad und einen niedrigen Emissionsgrad im
Infraroten aufweist. 3) Die Rückseite des Wärmetauschers ist mit einer stark reflektierenden
Metallfolie mit einem kleinen Emissionsgrad bedeckt, um Strahlungsverluste an die
Umgebung zu verringern. 4) Auf beiden Flächen des plattenförmigen Austauschers 8
sind in horizentaler Richtung streifenförmige Stege 29 aus Metall oder einem hitzebeständigen
Kunststoff befestigt, um die Verluste durch konvektiven Wärmeübergang vom heißen
Wärmetauscher an die umgebende Luft zu verringern. Die Oberfläche dieser Stege wird
sinngemäß wie die Austauscherflächen selbst geschwärzt bzw.
-
außen mit blanker Metallfolie überzogen.
-
Die oben angeführten Maßnahmen und konstruktiven Hinweise bei der
praktischen Verwirklichung des Erfindungsgedankens ermöglichen eine weitgehende
Nutzung der dem Zylinder Z2 zugeführten Verbrennungswärme des Primärenergieträgers
und lassen eine hohe Leistungsziffer erwarten.
-
Gegenüber konventionellen Wärmepumpen, die mit Gasmotoren angetrieben
werden, bestehen grundlegende Vorteile: Die
bei einer offenen-Verbrennung
in den Brennern erzeugte Schadstoffmenge beträgt weniger als 15 % von der in einer
inneren Verbrennung in Diesel- oder Ottomotoren auftretenden. Ferner ist der eigentliche
Arbeitsprozeß hermetisch geschlossen und kann nicht durch Verunreinigungen oder
Verbrennungsluft verschmutzt werden-. Aus diesem Grund und infolge der auf die Verdrängerkolben
wirkenden geringen Druckkräfte sind lange Lebensdauer für solche Anlagen zu erwarten.
Schließlich besitzt die hermetisch betriebene Wärmepumpe keine Ventile und verursacht
daher eine äußerst geringe Geräuschentwicklung.
-
Die zum Überwinden der Gasreibungskräfte erforderliche zusätzliche
Leistung ist sehr-gering und beträgt weniger als 5 % der erzeugten Heizleistung.
-
Die in der Zeichnung (Fig. 1) dargestellte Ausführungsform der Erfindung
ist nicht diese einzige erfinderische AusfUhrungsform. Die Achsen der Arbeitszylinder
Z1, Z2 müssen nicht unbedingt in einem Winkel von 90 ° gegeneinander versetzt sein.
Die dargestellten Flachbrenner können (9, 10) bei der Wärmepumpe 9 als auch beim
Nachverbrenner 10 allein oder in verschiedener Kombination durch Halbschalen- oder
Ringbrenner ersetzt werden.