DE3237841A1

DE3237841A1 - Thermisch betriebene waermepumpe

Info

Publication number: DE3237841A1
Application number: DE19823237841
Authority: DE
Inventors: Franz X. Prof. Dr.-Ing. 8000 München Eder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-10-12
Filing date: 1982-10-12
Publication date: 1984-04-12

Description

Patentanmeldung THERMISCH BETRIEBENE WÄRMEPUMPE

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmemaschine, mit der eine Wärmeleistung von tieferer Temperatur auf eine höhere mittels reversibler Zustandsänderungen einer konstanten Gasmenge lediglich durch eine bei hoher Temperatur zugeführte Wärmeleistung gebracht wird. Sie läßt sich als Wärmepumpe oder Kältemaschine anwenden, die im Gegensatz zur elektrisch betriebenen Wärmepumpe die Pumpleistung unmittelbar aus der Verbrennungswärme des Primärenergieträgers deckt - ohne den Umweg über die elektrische Energieumwandlung.

Der heutige Stand der Technik ist durch folgende Verfahren und Bauarten gekennzeichnet:

1. Bei der Kältemittel-Wärmepumpe wird größtenteils innerhalb des Zweiphasengebietes eines Kältemittels ein aus Kondensation bei höherem Druck, Drosselentspannung und Verdampfung bei niedrigerem Druck bestehender , geschlossener Kreisprozeß durch einen Kompressor in Gang gehalten. Die dabei erreichte Leistungsziffer e, die das Verhältnis der bei der Nutztemperatur T (z.B. 6O⁰C) abgeführten Wärmeleistung Q zur Kompressorleistung W_r angibt, ist wegen der irreversiblen Drosselentspannung und der überhitzung des Kältemittels im Kompressor merklich kleiner als der theoretische Wert

^e=W^Tl>' ^

wenn die zu "pumpende" Wärmeleistung bei der Temperatur T^ zugeführt wird. Bezogen auf den Primärenergiebedarf findet man die sehr viel niedrigere Leistungsziffer

V^WC ⁼ V^{e 5}^eV(V¹I)- <²>

wobei η den Wirkungsgrad bei der elektrischen Energieumwandlung angibt, der mit 30 % anzusetzen ist. In praxi erreicht das Produkt η ·ε kaum den Wert Eins, d.h. eine echte Energieersparnis wird kaum erreicht.

2. Diesem offensichtlichen Dilemma kann abgeholfen werden, wenn die Kältemittelwärmepumpe durch einen Gas-oder Leichtölmotor angetrieben wird und dessen Auspuff- und Kühlwärme der gepumpten Wärmeleistung zugeschlagen wird. Dieses für große Einheiten erfolgreich angewandte Verfahren weist Nachteile großer Geräusch- und Vibrationsentwicklung, starker Schadstoffemission und be-

ι/.

grenzter Lebensdauer auf.

Der grundsatzliche Nachteil aller mit Kältemitteln betriebener Wärmepumpen - auch dir von Absorptionsmaschinen - liegt darin, daß die Nutzwärmeleistung dem Sättigungsdruck des Kältemittels proportional ist und dieser z.B. zwischen T, =+10° und -1O⁰C auf die Hälfte absinkt.

3. Durch mechanische Kupplung eines Stirling-Motors mit einem als Wärmepumpe arbeitenden Stirling-Prozess erhält man eine thermisch betriebene Wärmepumpe, die aufwändig und teuer ist, da zwei abgeschlossene Druckgassysteme und einige Wärmetauscher zusammengeschaltet werden müssen.

Vorliegende Erfindung stellt eine thermodynamisch vorteilhafte Lösung der Aufgabe dar, eine mit Druckgas als Arbeitsmedium arbeitende Wärmepumpe unmittelbar mit der Verbrennungswärme des Primärenergieträgers zu beheizen, wobei Antriebs- und Wärmepumpenteil integriert sind.

Die Wirkungsweise des Erfindungsgegenstandes läßt sich anhand der Fig.l verstehen. Es sind zwei Arbeitszylinder 1,2 mit den Verdrängerkolben 3, 4 dargestellt, die über ein Kurbelgetriebe mit 90° Phasenverschiebung zwischen oberem und unterem Totpunkt periodisch hin- und hergeschoben werden. Die von den Verdrängern abgeteilten Arbeitsräume sind über die Wärmetauscher 5, 6 miteinander ebenso wie die auf Umgebungstemperatur T befindlichen Enden der Wärmetauscher durch die Leitung 7 verbunden. Beide Arbeitszylinder sind z.B. mit Heliumgas von 10 bis 100 bar gefüllt. Dem Arbeitsgas im Zylinder 1 wird über einen nicht dargestellten Wärmetauscher die Heizleistung Q₂ bei einer Temperatur T₂ = 200 bis 700⁰C zugeführt; dem Zylinder 2 wird die zu "pumpende" Wärmemenge Q, bei der Temperatur T, = -20 bis +1O⁰C zugeleitet.

Ein Erfindungsmerkmal dieser neuartigen Wärmepumpe besteht darin, daß ein identischer zweiter Zylindersatz I¹, 2¹ mit den Verdrängerkolben 3¹, 4' vorgesehen ist, der um 180° phasenverschoben, aber synchron mit dem ersten angetrieben wird und die Wärmetauscher 5, 6 mit dem System I gemeinsam hat. Die beim Wechselspiel beider Verdränger in den Zylindern ablaufenden Zustandsänderungen sind in den Temperatur-Entropie-Diagrammen der Fig.2 für beide Systeme I und II dargestellt. Im Arbeitszylinder 1 wird das Arbeitsmedium bei abwärts bewegtem Verdränger 3 vom

unteren Volumen mit der Temperatur T>. durch einen Strang des Wärmetauschers 5 in den oberen Arbeitsraum mit der Temperatur T₂ geschoben, wobei - wie aus dem Diagramm für das System I zu ersehen ist - die Isochore a-b durchfahren und im Zustandspunkt .b der maximale Gasdruck P_max erreicht wird. Die Enthalpiedifferenz (h_ß-h ) wird durch Wärmeaustausch in 5 durch das System II aufgebracht, in dem zum gleichen Zeitpunkt die Expansion c-d bei einem kleineren Gasdruck ausgeführt wird.Die isotherme Wärmezufuhr längs b-c im System I errechnet sich zu Q₂= T₂(s_c- s_b), (3)

während bei der Nutzwärmetemperatur T die Wärmemenge

«02 * W ^sa> <⁴>

abgegeben wird. Im Zusammenwirken beider Systeme, die ihre längs der Isochoren a-b, c-d ab- und zugeführten Wärmemengen wechselseitig im Gegenströmer 5 austauschen^indet ein (rechtsumlaufender) periodischer Kompressionsvorgang statt, der im T,s-Diagramm der Fig.2 als Kreisprozeß a-b-c-d erscheint. Er spielt sich zwischen den Extremaldrücken P_max und P_1n^_n ab und verläuft etwa sinusförmig in einem Arbeitszyklus.

In den oberen Arbeitsvolumina der Zylinder 2, 2' strömt das Arbeitsgas während des Kompressionsvorgangs a-b längs der Isothermen a-b¹ bei der Temperatur T und wird dannjauf dem Weg b'-c'-d¹ auf die Temperatur'entspannt. Dabei muß die Wärmemenge Q, zugeführt und analog zum Kompressionsteil im Wärmetauscher 6 die Enthalpiedifferenz (h^i- h ,) ausgetauscht werden. Bei diesem (linksumlaufenden) Wärmepump- oder Kälteprozeß a-b'-c'-d', der ebenfalls im Druckintervall ρ - ρ . abläuft, wird

max min

aus den oberen Arbeitsvolumina der Zylinder 2, 2' die Wärmemenge Q₀₁ bei der Nutztemperatur T abgeführt. Diese berechnet sich zu

Q₀₁= Q₁T₀ZT₁ (5)

und liefert die Gesamtnutzwärme

«.· Oi⁺«.2-ViIVWW- <⁶>

Daraus berechnet sich die theoretische Leistungsziffer dieses Prozesses zu

ε = Q₀ZQ₂ = T₁(T₂-T₀)Z(T₀-T₁)T₂. (7)

Die Wärmetauscher 5» 6 haben die Aufgabe, die bei der Zustands·

änderung a-b im System I aufzubringende Wärmemenge aus dem System II zu übertragen, das zur gleichen Zeit den Expansionsvorgang c-d ausführt. Die beiden in Fig.2 schraffierten Flächen entsprechen gleichen Wärmeinhalten. Analog werden die in den Wärmepumpzylindern 2, V während der isochoren Zustandsänderungen b'-c* bzw.d'-a freiwerdenden bzw.abzuführenden Wärmemengen über den Gegenströmer 6 ausgetauscht. Da die in beiden Gesamtprozessen umgesetzten Wärmemengen dem mittleren Fülldruck proportional sind, werden die Verbindungsleitungen 7, 7' durch die Kapillarleitung 8 verbunden, um das thermodynamische Gleichgewicht einzustellen.

Die praktische Ausführung des Erfindungsgedankens geht aus dem Beispiel der Fig.3 hervor. Die Zylinderpaare 9, 10 bzw. 9', 10' mit ihren Verdrängerkolben 11, 12 bzw.11', 12' sind an den druckdichten Kurbelgehäusen 13, 13' befestigt, in denen die zum Antrieb der Verdrängerkolben notwendigen Kurbelwellen eingebaut sind. Zweckmäßiger ist es, ein gemeinsames Kurbelgehäuse vorzusehen, in dem über eine vierfach gekröpfte Kurbelwelle die vier Verdrängerkolben in der richtigen Phasenlage betätigt werden. In den Zylinderböden werden die Kolbenstangen der Verdränger druckdicht geführt und an ihren freien Enden in Laufbüchsen gelagert, an denen die Pleuel angreifen.

Die Antriebsleistung Q2 für die Wärmepumpe wird über den Gasoder Ölbrenner 14 auf den Wärmetauscher 15 übertragen, der z.B. aus einem Zweifachrohrbündel aus CrNi-Stahl besteht und die Zylinderköpfe von 9, 9¹ mit dem Gegenstromwärmetauscher 16 verbinden. Zur bessere Wärmeübertragung zwischen den zwei Systemen können die Einzelrohre von 15 abschnittweise verschweißt werden. Erfindungsgemäß besteht der Austauscher 16 aus zwei Teilen: dem Hochtemperaturabschnitt 16', auf den die warmen, aus dem Austauscher 15 entweichenden Abgase nutzbringend übertragen werden, und aus dem Gegenströmer 16" für den unteren Temperaturbereich. Als praktische Konstruktionsform kommt eine Wendel oder Doppelwendel aus konzentrischen dünnwandigen Rohren von kleinem Durchmesser in Betracht, die außen vom Abgasstrom umspült wird. Zur Erzielung eines höheren Wirkungsgrades wird der Oberteil der Verdrängerkolben 11, II¹ aus schlecht wärmeleitendem Material gefertigt, wie z.B. poröser Keramik.

Die zu pumpende Wärmemenge wird beiden Zylindern 12, 12' über BAD ORiGiNAL

den gemeinsamen Wärmetauscher 17 zugeführt, der z.B. von einem Wasser-Glysantin-Gemisch durchflossen wird und die Rohrwendeln 18, 18' enthält. Die nicht-isotherm umgesetzten Wärmemengen in den Kompressions- bzw.Expansionsphasen werden im Gegenstromwärmetauscher 19 wechselseitig übertragen. Dieser besteht entweder aus konzentrischen Rohrbündeln oder ist auf andere Weise mit einem geringen Totvolumen ausgebildet.

Beide Gegenstromwärmetauscher 16, 19 sind über die Rohrwendeln 20 des Nutzwärmetauschers 21 mit den unteren Arbeitsvolumina der Zylinder und über die Leitungen 22, 22' gegenseitig verbunden. Der Warmwasserkessel 21 ist an den Heizungskreis angeschlossen, wird von Wasser durchflossen und wird für die maximale Heizleistung ausgelegt. Um beide Systeme I und II auf gleichen mittleren Arbeitsdruck einzustellen, sind die Rohrwendeln 20 durch die Kapillarleitung 23 verbunden.

Zur Inbetriebnahme der beschriebenen Wärmepumpe wird sie vorzugsweise mit Helium-oder Wasserstoffgas bei Drücken zwischen 10 und 100 bar gefüllt, nachdem sie vorher bei niedrigem Druck durchspült oder evakuiert wurde. Die Verdrängerkolben werden über die gemeinsame Kurbelwelle mit 500 bis 3000 l/min von einem außen angeflanschten oder im Kurbelgehäuse untergebrachten Asynchronmotor angetrieben. Da die Verdrängerkolben nur die Gasdruckdifferenzen in den Wärmetauschern zu überwinden haben, sind zum Antrieb der Wärmepumpe nur einige Prozent der Nutzheizleistung an elektrischer Energie aufzubringen.Um Wärmeverluste der Brennkammer 24 und an den Hochtemperaturzylindern 9, 9¹ infolge Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung weitgehend zu unterbinden, werden die heissen Apparateteile durch den Isolationsmantel 25 geschützt.

Bezüglich der räumlichen Anordnung der einzelnen Komponenten dieser Maschine bieten einige bevorzugte Konstruktionen besondere Vorteile: So können z.B. die doppelt gekröpften Kurbelwellen für den Verdrängerkolbenantrieb durch einfache mit angelenkten Nebenpleuel ersetzt werden, wenn die Achsen der korrespondierenden Zylinder 9, 10 bzw.9¹, 10' um 90° gegeneinander geneigt sind. Damit wird erfindungsgemäß eine Doppel-V-Maschine mit vier Zylindern erhalten, die einen fast voll kommenden Massenausgleich besitzt, da in der zweiten Zylinderreihe die Kolbenbewegung um 180° phasenverschoben erfolgt.

Gegenüber konventionellen Wärmepumpen weist der Erfindungsgegenstand die nachfolgend aufgeführten Merkmale und Vorteile auf:

1. Die beschriebene Wärmepumpe wird durch Zufuhr von thermischer Energie betrieben, wobei als Primärenergieträger feste, flüssige oder gasförmige Brennstoffe genutzt werden können.

2. Im Vergleich zur gasmotorisch angetriebenen Kältemittel-Wärmepumpe erzeugt der Erfindungsgegenstand eine auf 10 % verminderte Schadstoffemission und eine merklich geringere Lärmf-und Vi brati onsentwicklung.

3. Da die vorliegende Erfindung mit einem quasi-idealen Gas als Arbeitsmedium arbeitet, bleibt die Nutzwärme auch bei sinkender Temperatur des zu pumpenden Wärmereservoirs (z.B. der Außenluft) fast konstant; die Heizleistung der mit einem Kältemittel betriebenen Wärmepumpe sinkt gerade dann stark ab, wenn der größte Heizbedarf anfällt!

4. Die beschriebene Wärmepumpe zeichnet sich durch eine hohe Betriebssicherheit und lange Lebensdauer aus, da die einzigen bewegten Apparateteile, die Verdrängerkolben nur gegen geringe Druckdifferenzen ( ca.0,1 bar) abgedichtet werden müssen und dynamische Dichtungsverfahren (Labyrinthnuten) vollkommen ausreichen. Dementsprechend müssen auch die Kurbelwellen nur für die Aufnahme der Massenkräfte festigkeitsmäßig ausgelegt werden.

5. Die Regelung der Heizleistung erfolgt zweckmäßig entweder über den Fülldruck oder die Drehzahl und läßt sich bei geringem Aufwand automatisch an den Heizbedarf anpassen.

6. Die auf den Einsatz von Primärenergie bezogene Leistungsziffer erreicht bei dieser Wärmepumpe mindestens Werte um 2,5 bis 3, wenn ihr die Wärme bei +5⁰C zugeführt wird und die Heizleistung bei 6O⁰C entnommen wird.

BAD ORiGiHAL

Leerseite

Claims

Patentansprüche

Iy Wärmemaschine, mit der eine Wärmeleistung von tieferer Temperatur auf eine höhere Temperatur gebracht oder beim tieferen Temperaturniveau eine Kälteleistung mittels reversibler Zustandsänderungen einer konstanten Gasmenge erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus zwei identischen Aggregaten mit je einem Hoch- und Niedertemperatur-Arbeitszylinder mit entsprechenden Verdrängerkolben besteht, deren periodische Hubbewegung um 90° gegeneinander phasenverschoben ist, während sich die Phasen der entsprechenden Verdrängerkolben in beiden Aggregaten um 180° voneinander unterscheiden, und daß beide Aggregate je ein nach außen hermetisch abgeschlossenes konstantes Volumen einschließen, das mit Druckgas gefüllt ist, und beiden Hochtemperaturzylindern Wärme bei einer relativ hohen Temperatur, den Niedertemperaturzylindern eine viel größere Wärme bei niedriger Temperatur zugeführt und die Abwärmen aller vier Zylinder als Nutzwärme entnommen wird, und daß ein Gegenstromwärmetauscher für die Hochtemperaturzylinder vorgesehen ist, dessen beiden Rohrsysteme die oberen mit den unteren Arbeitsräumen verbinden und ein zweiter Austauscher angeordnet ist, dessen getrennten Rohrsysteme die von den Verdrängern abgetrennten Arbeitsräume der beiden Niedertemperaturzylinder miteinander verbinden.
2. Wärmemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Verdrängerkolben durch eine gemeinsame vierfach gekröpfte Kurbelwelle in der angegebenen, gegenseitigen Phasenlage über Pleuel angetrieben werden und besagte Kurbelwelle in einem hermetisch geschlossenen Kurbelgehäuse untergebracht ist.
3. Wärmemaschine nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Hoch- und Niedertemperaturzylinder um etwa 90° gegeneinander geneigt sind, daß ferner die Pleuel für die Verdrängerkolben eines Aggregates am gleichen Kurbelzapfen angelenkt sind und auf der gemeinsamen Kurbelwelle die Kurbelzapfen für die Verdränger des zweiten Aggregates um 180° gegenüber dem ersten verdreht sind.
4. Wärmemaschine nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzei chnet, daß die bei hoher Temperatur zugeführ-

ι.

te Wärmeleistung durch einen Gas-, 01- oder Feststoffbrenner erzeugt und auf die Hochtemperaturseite der Zylinder (9, 9¹) mittels eines Doppelrohrsystems (15) übertragen wird, dessen Einzelrohre abschnittweise verschweißt oder anderweitig wärmeleitend verbunden sind.
5. Wärmemaschine nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmere Abschnitt (16¹) des Wärmetauschers (16) außenliegende Austauschflächen besitzt, die vom Abgasstrom des Brenners getroffen werden.
6. Wärmemaschine nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Kurbelgehäuse zugewandten Arbeitsvolumina über separate Rohrwendeln (20) mit den entsprechenden Rohrsystemen der Wärmetauscher (16, 19) verbunden sind und besagte Rohrwendeln in einem gemeinsamen Warmwasserkessel (21) untergebracht sind.
7. Wärmemaschine nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke der Druckanpassung die beiden Rohrsysteme eines der beiden Gegenstromwarmetauscher durch ein Kapillarrohr verbunden sind.
8. Wärmemaschine nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzei chnet, daß den Niedertemperaturzylindern (10,1O¹) die Wärmeleistung bei niedriger Temperatur über zwei Rohrwendeln in einem gemeinsamen Flüssigkeitsbad (17) zugeführt wird.
9. Wärmemaschine nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutzheizleistung über die Drehzahl der die Verdrängerkolben antreibenden Kurbelwelle geregelt wird.