DE3346356A1 - Gasdynamische klimaanlage - Google Patents

Description

Gasdvnamische Klimaanlage -

Die Erfindung betrifft eine auf qasijynnmischcn Wirkungen beruhende: Klimaanlage, die die· Abwärme von Wärmekraftmaschinen, zum Beispiel die von motorbetriebenen Transportmittel, sowohl zur Erzeugung von Kühlleistung als auch zur Verwertung für Heizleistung für zu klimatisierende Objekte, zum Beispiel Fahrzeugzellen, nutzt, ohne daß es zur Erzeuqung von Kühlleistung einer zusätzlichen motorisch betriebenen Einrichtung bedarf. 1.0 Es sind wohl Klimaanlagen bekannt, die die Heizleistung über die Nutzung der Maschinenabwärme gewinnen, jedoch für die Bereitstellung von Kühlleistunq für zu klimatisierende Objekte entweder zusätzlich eine Kompressions- oder eine Absorptionskälteanlage benötigen. Während Kompressionskälteanlaqen motorisch betrieben werden müßen, lassen sich Absorptionskälteanlagen zum Beispie] auch mittels der Maschinenabwärme betreiben. Die Bereitstellung von Kühl- und Heizleistung am Verbrauchsort erfordert jedoch bei diesen Systemen getrennte Einrichtungen für die Erzeugung von Kühlleistung und für die Erzielung von Heizleistung.

Durch die vorliegende Erfindung, die die Abwärme von Wärmekra^rmaschinen sowohl für die Erzeuaung von Kühlleistung als auch zur Bereitstellung von Heizleistung am Verbrauchsort mittels hierzu geeigneter Einrichtungen nutzt, sollen die Nachteile bekannter Klimaanlagen vermieden werden. 2.0 Die Erfindung beruht auf der Ausnut/.ung der Abwärme von Wärmekraftmaschinen in Verbindung mit einer erfindungsgemäßen Kombination von Einrichtungen, wobei als Wärmeträger sowohl von der Maschine abzuführende aufgeheizte flüssige oder gasförmige Kühlmittel, wie zum Beispiel umlaufende Kühlflüssigkeit, beziehungsweise auch Schmiermittel oder Kühlluft, als auch heisse Abgase dienen können, die einem Wärmetauscher zugeführt werden sollen, worin ein hierzu geeignetes Mittel box dieser Wärmezuführung verdampft werden soll , um danach in einem nachgeschalteten Wärmetauscher bei _Wärmeabgabe an das kühlere Umfeld wieder zu kondensioren. Zeichnung 1.0 zeigt nin schematisch vereinfachendes erfindungsgemäße Beispiel einer zu beschreibenden Klimaanlage, die aus einem der Darnpferzeugung dienenden Wärmetauscher besteht, bezeichnet mit Ziffer 1, einem mit Ziffer 2 bezeichneten Wärmetauscher der wahlweise zur Erzeugung von·Kühlleistung und zur Wärmeabgabe für die zu klimatisierenden Objekte, zum Beispiel Transportraum in Fahrzeugen oder anderem dienen soll, ein mit Ziffer 3 bezeichneter Wärmetauscher der zur Rückkühlung erzeugter Dämpfe dienen SoIl₁ beziehungsweise zu deren Kondensation und den mit den Ziffern 5 und bezeichneten Teilen, die Steuereinrichtungen kennzeichnen. Im mit Ziffer 1 bezeichneten Wärmetauscher soll in geeigneter Weise die von der Wärmekraftmaschine abzuführende Wärme so genutzt werden, daß ein hierzu geeignetes Mittel, zum Beispiel ein Kältemittel, durch die Zuführung dieser Wärme /Q verdampft. Hierbei soll das Mittel bei einer bestimmten Temperatur t. isobar bei einem Druck· P verdampfen, abhängig von der Temperatur t des Abwärmeträgers , zum Beispiel des umlaufenden Maschinenkühlmittels der Wärmekraftmaschine. Somit gilt, die Temperatur des Abwärmeträgers t ist höher als die Verdampfungs temperatur t. des erzeugten Dampfes:

t > t .

Mrt dem im Wärmetauscher 1 erzeugten Dampf soll ein geeigneter zwei- oder mehrstrahliger Dampfstrahlapparat, in der Zeichnung 1.0 mit Ziffer 4 bezeiel· net, beschickt werden. Darin soll der Dampf adiabatisch entspannen, wobei ein Teil seiner inneren Energie zur Erzeugung eines oder mehreren Dampfstrahlen mit einer grösstmöglichen Geschwindigkeit verbraucht wird. Der grössenmäßige Betrag der erreichbaren Strömungsgeschwindigkeit ist abhängig vom Gegendruck,beziehungsweise der Temperatur t des nachgeschaltenen Wärmetauschers B₁In den er eingeleite werden soll. Somit gilt, die Tem'perat t. im Wärmetauscher 1 ist höher als i" Wärmetauscher 3:

t >t beziehungsweise p. >· p., DLe Temperatur t im Wärmetauscher 3

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und somit dessen Innedru-·'¹' p.- is ti abhängig ναι· dt-r gegebener UmFe]dtciripc·.-ratur t , auf die sie asymptotisch gebracht werder. soll. Somit gilt, die Temperatur t_o im Wärmetauscher ?. ist. höher als die' Umf eld tempera t ur t : t₃ >■ t_u . , ^U

Zwischen dem Wärmetauscher 1 und dem Wärmetauscher 3 besteht also ein von der Temperatur der nutzbaren Masehinenabwärmr; einerseits und von der Umfeldtemperatur andererseits abhängiges Wärmegefälle und abhängig davon ein Druckgef-llle in Richtung des Wärtauschers 3.

Der im Strahlapparat zu erzeugende Dampfstrahl oder parallele Dampfstrahlen weist oder weisen bestimmte physikalische Eigenschaften wie Geschwindigkeit, Temperatur, dynamischen und statischen Druch auf. Im folgenden wird die weitere Beschreibung auf einen einstrahligenDampfstrahlapparat abgestellt. Der statische Druck des DampfStrahles entspricht dem des Gegendruckes im Wärmetauscher 3 in den er einströmen soll. Dieser Strahl durchläuft im Strahlapparat nach einer erfolgten adiabatischen Expansion auf den Gegendruck p_ einen sich plötzlich erweiternden Raum, dessen Durchmesser grösi-er als der Strahldurchmesser sein soll und der danach in Bewegungsrichtung des in dieser. Vorrichtung erzeugten DampfStrahles wieder in geeigneter Weise verengt werden soll. Unter bestimmten Voraussetzungen baut sich in diesem Bereich, der als Einlauf- und Mischbereich für abzuführende Medien ausgelegt sein soll, ein niederer statischer Druck auf, als er tatsächlich im Strahl herrscht. Somit gilt, der scheinbare Oberflächendruck ρ des fließenden Dampfstrahles im bescnriebenen Bereich des Strdilapparates ist kleiner als der statische und somit kleiner als der des Gegendruckes p_ im Wärmetauscher 3:

^Ps^{< P}3 *

Der Wärmetauscher 2 soll nun in geeigneter Weise so mit dem Strahlapparat verbunden werden, daß im Wärmetauscher 2 mit dem Druck ρ und der Temperatur t^ entstehende Dampf über die beschrie-

bene Einlaufvorrichtunq in den Dampfstrahl apparat flii.'ssen kann, um dort vom Strahl aufgenommen und zum Wärmetauscher 3 geleitet zu werden. Da der im Wärmetauscher 2 herrschende Druck ρ vom Druck ρ im Einlauf des Strahl apparates abhängt, ist damit die Temperatur im Wärmetauscher 2 bestimmt. Somit gilt, die Temperatur t r.st nie derer als die Temperatur des flies-5 senden DampfStrahles und somit im Wärmetauscher 3:

Zwischen dem Wärmetauscher 3 und Wärmetauscher 2 besteht also in Richtung Wärmetauscher 2 ein Wärmegefälle. Somit gilt:

Da auslegungsgemäß in Abhängigkeit vom Strahlapparat die Verdampfungstemperatur t im Wärmetauscher 2 niederer als die der Umfeldtemperatur t sein soll, kann also mittels

u ι

des Wärmetauschers 2 Wäreme, zum Beispiel einem zu klimatisierendem Objekt oder Raum, entzogen werden. Somit gilt, die Verdampfungstemperatur' t im Wärmetauscher 2 ist niederer als die der Umfeldtemperatur t , die wiederum niederer als die des Wärmetauschers 3 ist:

Beim angestrebten Kühlvorgang wird demnach in einem Wärmetauscher 2 durch Verdampfung eines hierzu geeigl neten Mittels, zum Beispiel eines Kältemittels, der dem zu klimatisier| enden Objektes, zum Beispiel einer Fahrzeugzelle, zugeordnet werden solj und dessen Temperatur t mindestens gleich oder höher der Umfeldtemperatur t ist, in geeigneter Weise eine übertragenden Medium, zum Beispiel die Umgebungsluft die das zu klimatij sierende Objekt umgibt oder ausfülltj durch Verdampfung eines hierzu geei4 neten Mittels Wärme entzogen und .dai durch die Temperatur t auf einen Wert unterhalb der Umfeld- oder der vorher bestandenen Medientemperatur erniedrigt.

Da die Temperatur t des im Wärmeta scher 2 enstehenden Dampfes niederei ist als die Temperatur des im Straft! apparat erezugten Dampf Strahles, et' gibt sich bei der Mischung des im

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ORIGINAL .INSPECTED

Strahlapparat erzeugten Treitatrahles mit dem aus dem Wärmetauscher 2 abzuführenden Dampfes eine Mischtemperatur, die von den jeweiligen Tempera-

?7^U. türen vor der Vermischung und den.Mas- · ' 28C sen bpider abhängt. Nach der Mischung «soll, damit ein größtmögliches nutzbares Wärmegefälle zwischen der Mischdampftemperatur t und der Umfeldtem-

23" peratur t entsteht, der erzeugte Mischdamptstrahl durch Reibung erhitzt , adiabatisch verdichtet werden und im Wärmetauscher 3 bei Abgabe der Verdampfungswärme an das Umfeld mit der Temperatur t kondensieren. Somit gilt ■für die Temperatur t_ des Dampfes im Wärmetauscher 3 bezüglich zur Umfeldtemperatur t :
t >- t .

?AC Das hierbei im Wärmetauscher 3 entstehende Kondensat, soll innerhalb der Anlaae den Wärmetauscher 1 und 2 zur Aufrechterhaltung des Kreislaufes wieder zugeführt werden.

24''. ?.1 Die Bereitstellung von Kühlleist:unq erfolgt somit erfindunasgemäß in Kombi ricition von Wärmetauscher über die technische Mutzung der Abwärme von Wärmekraftmaschinen, wobei deren Ah -

?.^~ wirnn· zur Dampferzeugung zwecks Beschirkuna r-i.nes hierzu geeigneten • Strahl apparates gemutzt- werden soll. Aus -hT Zeichnung 1.0 ist.ein schonvitisehes erfindungsgfrinße Beispiel er-

J^- ;-i rly 1 ich. Bei Berriob der Anlage zur Erzeugung von Kühlleistung soll in geeigneter Weise der von der Wärmekraftmaschine abzuleitenden Wärmeüberschuss oder Teilmengen hiervon, dem Ziffer 1

2('^ bezeichneten Wärmetauscher zugeführt werden und so genutzt werden, daß darin unter Wärmeentzug vom Abwärmeträgßr ein hierzu geeignetes Mittel unter Erwärmung und Druckerhöhung zum Ver-(-5 dampfen gebracht werden soll. Mit dem so erzeugten Dampf soll ein mit Ziffer 4 bezeichneter Dampfstrahlapparat beschickt werden. Hierbei ist das mit Ziffer 5 bezeichnete Ventil geöffnet und das mit Ziffer 6 bezeichnete Venti 1 geschlossen. Somit kann vom Wärnetauscher 1 über den Dampfstrahlapparat namr^p in ien mit Ziffer 3 bezeichneten Wärmetauscher fliessen. Die Temperatur

?'S t ies im Wärmetauscher 1 erzeugtem 3

Dampfes'ist niederer als die Temperatur des Abwärmeträgers. Die Temperatur t im Wärmetauscher 3 ist hierbei höher als^die Temperatur t des Umfeldes an die der Wärmetauscher 3 die entstandene und abzuführende Kondensationswärme abführen soll. In dem mit Ziffer 2 bezeichneten Wärmetauscher soll ein hierzu geeignetes Mittel, zum Beispiel ein Kältemittel, zum Verdampfen gebracht werden. Die hierfür benötigte Verdampfungswärme P soll dem zu klimatisierenden Objekt oder Raum mit der Temperatur t mit dem der Wärmetauscher verbunden ist oder in dem er sich befindet, entzogen werden. Der hierbei entstehende Dampf soll über den Dampfstrahlapparat abgeführt und zu dem mit Ziffer 3 bezeichneten Wärmetauscher geleitet werden. Bei der Verdampfung im Wärmetauscher 2 soll die Verdampfungstemperatur t niederer als die Umfeldtemperatur, beziehungsweise die Objektoder Raumtemperatur t sein. Im Wärmetauscher 3 soll sowohl der zur Erzeugung von Kühlleistung im Wärmetauscher 2 und der zur Bereitstellung von Treibdampf im Wärmetauscher 1 erzeugte Dampf unter Abgabe der aufgenommenen Wärmemengen aus dem den Wärmetauscher 1+2 auf die Umfeldtemperatur t rückgekühlt beziehungsweise ihr asymtotisch angenähert werden und das dabei entstehende Kondensat zur Aufrechterhaltung des gewollten Prozesses den Wärmetauschern 1+2 wieder zugeführt werden. Eine solche Anlage kann zur Bereitstellung von Kühlleistung sowohl kontinuierlich betrieben werden als auch intermettierend arbeiten. Die Regelung einer derartigen Anlage kann sowohl manuell als auch automatisch erfolgen, und zwar sowohl durch Zu- oder Abschalten des Wärmetauschers 1 als auch des Wärmetauschers 2. Der Wärmetauscher 2 kann erfindungsgemäß alternierend sowohl für Kühlzwecke als auch für Heizzwecke der zu klimatisierenden Objekte oder Räume genutzt werden. 2.2 Die Bereitstellung von Wärmebeziehungeweise vor. Heizleistung erfolgtüber die oben unter 2.1 beschriebene Einrichtung so, daß der im Wärmetauscher 1 erzeugte Dampf mit dem

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mit dem Närneinhalt O und'dt-r Temperatur t dem Wärmetauscher k.zuqelei-tet wire D eser Zustand wi rd"-- -iürch Schliess-;n ι !es mit Ziffer '■> und durch Öffnen d-?s mit 'Ziffer 6 bezeichneten Ventils srr-'icht.. Im Wärmetauscher soll der eingeleitete Dampf unter Abgabe mirid.es" ent. seiner V.erdampfungswärme an da·, zu klimatisierende Objekt oder d.jn zu klimatisierenden Raum mit der Temperatur t kleiner als die Temperatur t des Heizdampfes mit dem der Wärmetauscher verbunden ist oder indem er si^h befindet, Unter Erwärmung desselben bei der Temperatur t kondensieren. Somit gilt: _tl> t₂ und t > t_o . Das hierbei ent stehende Kondensat soll zur Aufrechterhaltung des ge-

35^f" wollten Prc:-:es5.es wiederum dem wärmespeichei 1 zugeführt werden. 2.3 Damit -nit der oben beschriebenen Anlage, die? erfindungsgemäß in Abhängiqke.i r. von einer Wärmekraft-

3SS maschine Kühl- und Heizleistung bereitstelLen beziehungsweise erzeugen soll, auch dann die beschriebenen und beabsichtigten Wirkungen erzielt werden können, soll der mit

360' Ziffer 1 beschriebene Wärmetauscher mit einer zusätzlich betreibbaren, von der Maschinenabwärme unabhängigen Heizvorrichtung, zum Beispiel einer elektrischen Heizeinrichtung, oder gleichwertigen anderen, ausgestattet werden. Durch eine zusätzliche Heizeinrichtung soll bei nicht ausreichender Abwärmemenge ode» bei abgeschalteter Maschine der Betrieb der Klimaanlage aufrechterhalten oder sichergestellt werden. 3.0 Durch die Nutzung der Abwärme von Wärmekraftmaschinen nicht nur zum Beheizen von zum Beispiel von Fahrgasträumen, sondern auch durch die Nutzung der anfallenden Abwärme mi'ttels der beschriebenen Anlage, kar j ohne besonderen technischen Aufwand, das heisst ohne zusätzlich motorisch zu betreibende Aggregate, Kühlleistu: zur Kühlung von zum Beispiel Fahrgas· räumen bereitgestellt werden. Hierzu kann die Anlage, die wegen Fehlens beweglicher Teile keinen besonderen

1R5 Erhaltuncsaufwand erforderlich macht so ausgelegt werden, daß zu Beispiel gleichzeitig über verschiedenen Wärmetauscher Kühl- und Heizleistung am Verbrauchsort bereitgestellt werden kann. Bei Fahrgastzellenklimatisierung brauchen bestehende Systeme nur entsprechend modifiziert zu werden. Darüberhinaus kann die Anlage durch eine geeignete Erweiterung über eine zusätzliche unabhängige Beheizungseinrichtung an einem der Wärmetausch auch bei abgeschaltener Wärmekraftma schine oder bei nicht ausreichender wärme aufrechterhalten boziehungswei in dauernder Betriebsbereitschaft ge halten werden.

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Claims (3)

1. Patentansprüche

   Iy Gasdynamische Klimaanlage in Ver-TDindung mit einer Wärmekraftmaschine, insbesondere ir.it motorbetriebenen Transportmitteln, die über die Nutzung der Abwärme der Wärmekraftmaschine sowohl Kühl- als auch Heizleistung für zu klimatisierende Objekte oder Räume, ohne Verwendung zusätzlicher Kompressions- oder Absorptionskälteanlagen, erzeugt. Die Anlage besteht hierbei aus einem System von mindestens drei geeigneten Wärmetauschern, wobei in einem Wärmetauscher über die Verwertung von Abwärme Dampf erzeugt wird, mit dem ein Dampfstrahlapparat betrieben wird, womit aus mindestens einem weiteren Wärmetauscher darin entstehender Dampf abgesaugt, dessen Verdampfungswärme den zu klimatisierenden Obj ekten oder Räume, mi t denen er verbunden ist oder worin er sich befindet, zwecks Kühlung entzogen wird. Nach diesem Vorgang werden die im Dampfstrahlapparat oder die sich in dessen Auslauf vermischende Dämpfe in einen weiteren Wärmetauscher zwecks Rückkühlung und Kondensation geleitet. Das entstehende Kondensat wird zur Aufrechterhaltung des Vorganges den anderen Wärmetauschern wieder zugeführt.
2. 2. Gasdynamische Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mittels Maschinenabwärme in einem Wärmetauscher erzeugte Dampf, ohne über einen Dampfstrahlapparat zu fIiessen, direkt in einen Wärmetauscher einströmt, um darin unter Abgabe mindestens seiner Verdampfungswärme an zu klimatisierende Objekte oder Räume, mit denen er verbunden ist oder worin er sich befindet, zu erwärmen.
3. 3. Gasdynamische Klimaanlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der mittels Maschinenabwärme zubetreibende Wärmetauscher mit einer zusätzlichen, von der Abwärme unabhängigen Heizeinrichtung, zum Beispiel einer elektrischen Heizvorrichtung,

   SO zur Aufrechterhaltung bei nicht ausreichender oder fehlender Maschinonabwärme zur Erzielung der,, oben unter 1 und 2 beschriebenen Kühl- und Heizleistungen, ausgestattet ist ι

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