DE3202593A1

DE3202593A1 - Verbesserte waermepumpe

Info

Publication number: DE3202593A1
Application number: DE19823202593
Authority: DE
Inventors: Fritz 4902 Bad Salzuflen Laude
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-01-27
Filing date: 1982-01-27
Publication date: 1983-08-04

Description

Verbesserte Wärmepumpe.

Anmelder und Erfinder Fritz IAUDE 49o2 Bad Salzuflen

Poststraße 1o

Die Erfindung, betrifft eine Wärmepumpe, die geeignet ist akute Energieprobleme und deren negative Auswirkungen lösbarer zu machen.

Wärmepumpen dienen dazu, Energie aus der Luft, Fließ- oder Grundwasser zu entnehmen. Es handelt sich praktisch um eine Umkehrung des bekannten Kühlschrankprinzipes.

Es ist weiterhin bekannt, daß diese Wärmepumpen nur einen sehr begrenzten Einsatzbereich haben und Luft- Wasser- Wärmepumpen nur nur ca 38% des benötigten Wärmebedarfes abdecken können, außerdem ist auch das Heizsytem so auszubauen, daß die Heizung im Nieder temperaturbereich möglichst durch eine Fußbodenheizung erfolgt ·

Stand der Technik ./. Literatur.

Energiesparen: Herausgeber die Landesbausparkassen. Kirn./. Haderfeld- Wärmepumpen CF. Müller Verlag Kaisruhe. Hampel - Grundlagen der Kälteerzeugung CF, Müller Verlag Kaisruhe. Kalide - Thermodynamik der Kühl - und Kälteanlagen; Carl Hanser Verlag München- Wien

Tatsächlich sind aber Heizsystem vorhanden , die eine höhere Vorlauftemperatur von 8o° benötigen und ein Umbau auf 55° aus wirtschaftlichen Gründen meistens nicht möglich ist. Aus diesem Grunde, wird auch eine verbesserte Wärmepumpe benötigt, außerdem werden ca 62J6 der Heizleistung im Bereich von - 2o° bis + 2° benötigt und da haben die bekannten Wärmepumpen nur eine sehr geringe Leistung und Wirkungsgrad. s-

Aus diesem Grunde, haben sich Wärmepumpen nicht durchsetzen können, weil bei einem Wirkungsgrad von /* « 1.66 ein Vorteil nicht vorhanden ist.

Der Erfindung lag also di e. Auf gäbe*. zügxundie. _Λ ^: &$.β Wärmepumpen System sehr wesentlich zu verbessern und im Bereich von -2o° bis + 3o° bei 8o° Vorlauf im Heizsystem einsatzfähig zu machen und auch für den Bereich von 55° zu verbessern. Dieser sehr weite Bereich wird auch für die Sommermonate benötigt, da eine verbesserte Wärmepumpe mit einem möglichen Wirkungsgrad von£ « 6«3 Warm - Wasser sehr viel wirtschaftlicher bereitstellen kann als jedes andere bisher bekanntes System.

Für eine Wasser- Wasser- Wärmepumpe wird für 15 KW Heizleistung ca 4nr/h G-rund- oder Fließwasser benötigt und eine solche Wassermenge steht meistens nicht zur Verfügung, sodaß vor allem eine Luft- Wasser- Wärmepumpe interessant ist.

Aus dem MOLIIER Ig ρ - h Diagramm - Bild 1, Blatt -1 - , ist ersichtlich, daß der Wärmekreisprozeß im wesentlichen im Naßbereich erfolgt.Der schraffierte Bereich, zeigt die Größe der Drosselverluste, wenn man davon absieht, daß -4hu desöfteren dem Saugkreis +Ahu wieder zugeführt wird, dieser inere Wärmeaustauch soll die Effektivität etwas verbessern, praktisch wird aber der Liefergrad des Verdichters verschlechtert, sodaß strittig ist, ob ein Vorteil entsteht.

Um einen höheren Wirkungsgrad zu erhalten, ist es richtiger den höheren Druck nicht durch ein Expansionsventil zu entspannen, Bild 2 ; Blatt 1, sondern durch eine Turbine, die auf gleicher Welle ein Vorverdichter antreibt,-analog dem bekannten TURBOLADER-sodaß ein höherer Wirkungsgrad entsteht. Höhere Wirkungsgrade, können aber auch durch andere Maßnahmen erzielt werden und es ist möglich den Wärmekreisprozeß besser den anderen Verhältnis von - 2o° bis + 3o° bei einem Vorlauf von 8o° anzupassen.

Das Bild 3 Blatt 1, zeigt einen zweistufigen Kältekreis prozeß, wodurch ein günstiger Mitteldruck pm «= J p.po für den Verdichter entsteht. Durch die trockene Ansaugung des Arbeitsstoffes, wird auch der Arbeitsaufwand entsprechend der Fläche ; '{ 2-3-4-10 gemindert. Die zweifache Drosselung und durch die Nachkühlung des Arbeitest«· off es im Nachkühler N , bewirken den größeren Kältegewinn Kä G, größerer Kältegewinn ist aber auch ein größerer Wärmegewinn. Das Bild 4 Blatt 2, zeigt die Verhältnisse im T s Diagramm, Bild 5 aber die Verhältnisse im Ig ρ - h Diagramm, die schraffierten Flächen, die noch vorhandenen Verluste. '

Durch die mögliche Rückführung dieser noch vorhandenen Verlust- ■: energie in den Wärmekreisprozeß - waß im Kältekreis nicht möglich ist - entsteht ein wesentlich höherer Wirkungsgrad im Wärmekreisprozeß. Die Rückführung der Energie in den Kreisprozeß kann durch einen Wärmetauscher erfolgen und zwar so, daß die Temperatur auf die Ausgangstemperatur zurückgekühlt wird. - Der CARNOT Kreisprozeß voll verwirlicht wird,-

Die Rückführung ist durch eine Kombination des Mitteldruckbe- " ^: hälters mit einem für die Kondensation erforderlichen Kondensator ; möglich, ohne, daß sich die Arbeitsvorgänge beeinflußen, die benötigten großen Kühlflächen sind in den Behälter unterzubringen!

Das Blatt 3 zeigt eine siebenstufige Wärmepumpe mit den sehr

günstigen Mitteldruck pm -V~7r - 1-475 bar, wodurch auch ein günstiger Liefexgrad -entsteht. Durch Anordnung der 7 Verdichter auf einer Welle, mit nur einen Antriebsmotor, wird auch der Leistungsbedarf verringert. Der leistungsbedarf, die Drücke und Temperaturen können aus dem Ig ρ - h Diagramm Blatt 9 entnommen werden. ^:

: . V7-f-^: 1 ·^:"^::"-^: 3202^93

Die Anpassung an die Verdanrpf ertemperatur *bezw:· an den Saugdruck erfolgt durch die AL Ventile, welche auch für die Anlaufentlastung ; benötigt werden und zwar in der Form, daß zum Beispiel der Ver-, ■ " dichter 1 abgeschaltet wird, wenn die Außentempertur sich erhöht.

' Steigt die Temperatur weiter, dann werden weitere Stufen abgeschaltet. Die Wirkungsgrade bei Rückführung dersonstigen " Verlustwärme" in den Värmekreisprozeß ergeben sich aus den MOLlIER Ig ρ -h Diagramm zu -2o° ζ = 4.9 ; -9°*=5.2 ; +2°/= 5.75 ; + H⁰ £ = 6.38 betragen also das mehrfache der sonst üblichen Wirkungsgrade und die Warm- Wasserkosten betragen in den Sommermonaten nur 1/6 von den sonst üblichen Werten.

Das Blatt 4 zeigt einen anderen Typ einer verbesserten Wärmepumpe und zwar wird hier ein anderer Wärmeaustauschertyp* verwandt, sodaß ■ ' die Verwendung verschiedener Arten von Arbeitsstoffen möglich ist.

Das Abtauen des vereisten Absorbers, geschieht durch eine in die Kühlbleche eingebaute Heisgasleitung.

Druckerhöhungen- in den Verdichtern - bedingen eine Temperturzunahme und daraus ergeben sich Verdichterverluste, um diesen Verlust zu mindern, wird durch den Enbau eines Verdampfers V e 2 in ■η den Verdichter die Verlustwärme in den Kreisprozeß zurückgeführt.

Nachrechnungen ergaben, das günstige Verhältnisse, auch mittels dreistufigen Aufbau einer Wärmepumpe möglich sind.-Blatt 5 Die Wärme wird hier von den Kühlblechen des Absorbers zum eigentlichen Verdampfer transportiert und da ein Verhältnis 1 : 1o j \ Abeorberflachen:Verdampferflächen möglich ist, erfolgt eine Värmetransformation im gleichen Verhältnis, die Temperatur am

j verdampfer erhöht sich.

' ■ Gegenüber den bekannten Wärmerohren erfolgt hier aber der Rücktr-

transport des kondensierten Arbeitsstoffes durch eine Kapilare, ''■ die Funktion ist effektiver und vereinfacht.

Durch diesen Aufbau ₉ können. 2-3=4 Verdichterstufen entfallen^ es stellt sich durch die Diodenwirkung der Heißleitung auch: ein günstigeres Druckverhältnis im Verdampfer ein, weil ein ί

V/ärmetransport nur stattfindet, wenn der Verdampfer abgekühlt wird j, die nachgeschalteten Verdichter arbeiten. Der Wärmekreisprozeßp hat durch die Vor transformation einen sehr günstigen' Wirk·»

imgsgrado ;

Eine vereinfachte Form einer verbesserten Wärmepumpe ergibt sich durch den Aufbau einer in «= Bild β - gezeigten Weise, hier wird auf die Rückführung der Wärme zwischen den Stufen verzichtet-und der Gesamtwärmeabfall - Bild 1j Blatt 1 - wird im Behälter B^e durch Kondensation dem Wärmekreislauf wieder zugeführt» Durch Vorschaltung einer Wärmetransformation ergeben sich auch hier sehr günstige bessere Verhältnisse, außerdem wird durch eine Vorvacuumerzeugung im Verdichter der Wärraekreislauf wesentlich verbessert_P weil eine tiefere Temperatur sich im Behälter B e sich einstellte

Bei Wärmepumpen;, wurden zwangsläufiger Weise, die bei Kälte» kreisprozeßen üblichen Hubkolbenverdichter übernommen, Diese ergeben aber nur eine sehr begrenzte Regelmöglichkeit. Das übliche hohe Druckverhältnis p/po verschlechtert dazu auch noch den Wirkungsgrad;, die notwendigen Ventile verbessern den Wirkungsgrad auch nicht

Eine wesentliche Verbesserung des Wärmekreisprozeßes kann nur durch eine mehrstufige Verdichtung erfolgen.- Bild 3-4-5-8-9. Günstige Verhältnisse ergeben sich durch einen 3-=5-7 stufigen Aufbauο

Das sehr geringe Druckverhältnis, gestattet die Verwendung von Dreh- und Kreiskolbenverdichter und auch Turbinen, vor allem deswegen, weil bei diesen Bauarten die Verdichterstufen auf einer Welle angeordnet werden können.

Der Vielzellenverdichter - Blatt 7 - hat auch noch den Vorteil, daß eine Vorvacuumerzeugung möglich ist, dieses Vorvacuum ermöglicht die Rückführung des Öles und auch der Verlustwärme in den Kreisprozeß. Das Vorvacuum erniedrigt auch die Verdampfertemperaturen und verbessert dadurch auch die Rückführung der anfallenden verlustwärme in den Kreisprozeß. Entsprechende Druck-und Förderverhältnisse ergeben sich nur durch die Änderung der Scheibenbreiten des Kompressor K o, Blatt 7.

Erzielbare Vorteile: Akute Energieprobleme und deren negative Auswirkungen, sind durch verbesserte Wärmepumpen lösbarer geworden. Bei£ =4.9 werden 55%, bei £» 5.2 werden 66% , bei ί * 5.75 werden 75% und bei 6 β 6.38 werden ca 1oo % Primärenergie eingespart, diese Werte sind bei 55° Vorlauf der Heizung noch wesentlich höher·

Claims

Verbesserte Wärmapuppe* \.^: „;. * -..*,;.'. - 1

Anmelder u. Erfinder Fritz Laude,Poststraße 1o 49o2 Bad Salzuflen 1.

Patentansprüche:

M«/Verbesserte Wärmepumpe, die eine bessere Anpassung an die Temperaturen von - 2o° bis + 3o° bei einer Vorlauftemperatur von 8o° oder auch 55° möglich macht und auch höhere Energieeinsparungen möglich macht.

Vor allem dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmekreisprozeß vielstufig vorgenommen wird und eine Rückführung der sonst nicht genutzten Wärmeenergie in den Kreisprozeß erfolgt.

2· Verbesserte Wärmepumpe, nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß Arbeitsdruck nicht durch ein Expansionsventil, sondern durch eine Turbine entspannt wird, sodaß die Rückführung dieser Energien in den Kreisprozeß möglich wird, weil die Turbine mechanisch mit einen Vorverdichter gekoppelt ist.

3. Verbesserte Wärmepumpe.nach Anspruch 1 » dadurch gekennzeichnet, daß die sonst nicht genutzte Wärmeenergie durch geeignete Wärmetauscher, wieder in den Kreisprozeßeingefügt wird und die Wärmekopplung durch Wärmeleitung erfolgt.

4. Verbesserte Wärmepumpe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Anpassung an die Temperaturen oder auch an den Saugdruck durch Ventile in der Art erfolgt, daß diese Ventile den Kreislauf eines Verdichters kurzschließen oder öffnen und diese Ventile auch der Anlaufentlastung dienen, sodaß eine Energieeinsparung eintritt.

Verbesserte"Wärmepunrpe ·*· ·· ···· - 2 - ^;

5.Verbesserte Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, ; daß der Kondensator zweiteilig ist und dadurch neben dem höheren Wirkungsgrad eine Temperaturerhöhung des Heizungsvorlauf möglich ist.

6. Verbesserte Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Wärmetauscher eine metallische Trennung erfolgt ist und hierdurch die Verwendung verschiedener Arbeitsstoffe möglich wird.

7.Verbesserte Wärmepumpe nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die sonst übliche Verlustwärme wieder dem Kreisprozeß wieder zugeführt wird.

8. Verbesserte Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Absorber und Verdampfer, Heizleitungen eingeschaltet werden und diese Heizleitungen die Wärme sowohl transportier wie auch transformieren, also eine Temperaturerhöhung im Verdampfer eintritt.

9.Verbesserte Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorber- Kühlflächen schräg gestellt werden und durch die Kaminwirkung eine Verbesserung des Wärmeaustausches erfolgt.

lo.Verbeserte Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, · daß unter Verzicht auf Rückkühlung zwischen den Stufen die, Verdichter regelbar in Reihe geschaltet sind, weiterhi> - die sonst nicht genutzten Drosselverluste wieder dem Kreisprozeß in der ersten Stufe wieder zugeführt werden, eine Vortransformation der Wärme nach Anspruch 8 erfolgt.

Verbesserte Wärmepumpe - 5 -

11. Verbesserte Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurck gekennzeichnet, daß ein Vielzellenverdichter in vielstufiger Bauweise, für den Wärmekreisprozeß verwandt wird.

12.Verbesserte Wärmepumpe nach Anspruch 1, daArrch gekennzeicnet, daß ein Drehkolben-,Rollkolben - Schrauben - oder auch eine Turbine in vielstufiger Bauweise, für den Wärmekreisprozeß verwandt wird.

13. Verbesserte Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Verdichterstufen auf einer Welle angeordnet sind und nur ein Antrieb vorhanden ist.

14.Verbesserte Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der leistung und auch zur Rückführung der sonst nicht genutzen Energie, des Öles und des Arbeitsstoffes wieder in den Wärmekreisprozeß, im Verdichter ein Vorvacuum erzeugt wird.