DE3444762A1

DE3444762A1 - Kaeltemaschine bzw. waermepumpe mit einer strahlpumpe als verdichter

Info

Publication number: DE3444762A1
Application number: DE19843444762
Authority: DE
Inventors: Michael 4150 Krefeld Laumen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-12-07
Filing date: 1984-12-07
Publication date: 1986-06-12
Also published as: EP0204777A1; WO1986003577A1; AU5235286A

Description

Kältemaschine bzw. Wärmepumpe mit einer Strahlpumpe als Verdichter

Die Erfindung betrifft eine Kältemaschine, bzw. Wärmepumpe nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine derartige Kältemaschine bzw. Wärmepumpe mit einer Strahlpumpe als Verdichter ist aus der DE-OS 34 31 240 bekannt, die gemäß § 3 Abs. 2 PatG 1981 Stand der Technik ist. Bei dieser bekannten Kältemaschine bzw. Wärmepumpe wird in einem Dampferzeuger Treibdampf erzeugt, mit dem eine Dampfstrahlpumpe mit integriertem Verdampfer angetrieben wird. Der integrierte Verdampfer, der vorzugsweise aus Sintermetall besteht, umschließt zumindest zum Teil den Saugraum der Dampfstrahlpumpe, so daß durch die Saugwirkung des Treibdampfes flüssiges Arbeitsmittel angesaugt wird und durch den Unterdruck im Saugraum an der großen inneren Oberfläche des integrierten Sintermetallverdampfers verdampft. Das Gemisch aus Treibdampf und Saugdampf wird sodann in einem Kondensator kondensiert. Ein Teil des Kondensats wird über eine Drosseleinrichtung zurück in die Strahlpumpe ge-

• führt, dringt in den Sintermetallverdampfer ein und ver-

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dampft an dessen großer innerer Oberfläche. Hierbei wird ein Teil der Drosselwirkung auch durch den Sintermetallverdampfer erzielt. Der andere Teil des Kondensats wird über eine Pumpe zurück in den Dampferzeuger befördert, in dem daraus durch Energiezufuhr Treibdampf erzeugt wird.

Durch die besondere Bauform der Dampfstrahlpumpe mit integr 4-^etem Sintermetallverdampfer wird einerseits der Maschinenwirkungsgrad der Dampfstrahlpumpe verbessert, wodurch sich auch die Leistungsziffer einer Kältemaschine bzw. Wärmepumpe erhöht, die mit dieser Dampfstrahlpumpe ausgerüstet ist. Andererseits ermöglicht die Integration des Verdampfers in den Saugraum der Dampfstrahlpumpe eine kompakte Bauform, ohne daß die aktive Verdampfungsfläche verkleinert werden müßte, weil die große innere Oberfläche des Sintermetalls als Verdampfungsfläche zur Verfügung steht.

Voraussetzung für den kontinuierlichen Betrieb einer derartigen Kältemaschine bzw. Wärmepumpe ist jedoch, daß dem Treibdampferzeuger kontinuierlich Energie zugeführt werden muß. Auch ein bedarfsgesteuertes Betreiben der Anlage ist nicht möglich, wenn zum Antrieb Energiequellen verwendet werden, die etwa nur temporär zur Verfügung stehen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kältemaschine bzw. Wärmepumpe nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 zu schaffen, die größere Freiheit in der Wahl der verwendeten Antriebsquelle gewährleistet.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1.

Durch die Ausbildung des Dampferzeugers als Wärmespeicher 3g ist es möglich, den Wärmespeicher mit der Antriebsenergie zu beladen, unabhängig davon, wann diese anfällt; zeitlich

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entkoppelt davon kann der Wärmespeicher zur Treibdampferzeugung entladen werden. Damit ist bei Betrieb der Kältemaschine bzw. Wärmepumpe beispielsweise mit Solarenergie über Flachkollektoren ein kontinuierlicher Betrieb der Anlage möglich, auch wenn die Sonne zwischenzeitlich durch Wolken abgeschattet ist. Auch ein völlig zeitlich entkoppelter Betrieb, beispielsweise die Beladung des Speichers tagsüber und die Entladung des Speichers zur Treibdampferzeugung und damit Betrieb der Kältemaschine bzw. Wärmepumpe während der Nacht, ist durchführbar.

Gemäß Anspruch 2 ist der zur Treibdampferzeugung verwendete Wärmespeicher ein Latentwärmespeicher, da ein derartiger Speicher durch den Phasenwechsel des Speichermediums mit konstanter Temperatur be- und insbesondere entladen werden kann. Durch Anpassung der Speichertemperatur an die thermodynamischen Daten des Arbeitsmittels der Kältemaschine bzw. Wärmepumpe ist ein sehr verlustarmer Wärmeübergang von dem Speichermedium auf das Arbeitsmittel möglich.

Besonders vorteilhaft ist nach Anspruch 3 die Verwendung eines Latentwärmespeichers, bei dem auch das Wärmeübertragungsmittel zum Be- und Entladen des Latentwärmespeichers einen Phasenwechsel vollzieht, wie er beispielsweise aus der EP-OS 00 79 452 bekannt ist. Aus Offenbarungsgründen wird auf diese Druckschrift vollinhaltlich Bezug genommen. Der besondere Vorteil bei der Verwendung dieses Latentwärmespeichers ergibt sich daraus, daß sich dieser Wärmespeicher ohne Verschlechterung seiner Leistungscharakteristik teilbe- und teilentladen läßt. Damit ist auch bei dem gewünschten asynchronen oder bedarfsgesteuerten Betrieb der Kältemaschine bzw. Wärmepumpe bei dem der Wärmespeicher teilbe- und teilentladen wird, eine hohe Gesamtleistungsziffer der Anlage gewährleistet.

Diese Gesamtleistungsziffer läßt sich gemäß Anspruch 4 auch dadurch verbessern, daß beim Beladen des Wärmespeichers das Wärmeübertragungsmittel, das die Wärme von der Antriebsenergiequelle auf das Speichermeidum überträgt, in direktem Kontakt mit dem Speichermedium geführt ist. Durch diesen direkten Kontakt lassen sich zum einen sehr hohe Wärmeübergangswerte erzielen und zum anderen verbilligt sich die Anlage, da ein Wärmetauscher eingespart wird. Bei der Verwendung des Latentwärmespeichers nach der EP-OS 00 79 452 wird der außerhalb des Speichermediums angeordnete Verdampfer für das Wärmeübertragungs- und Dispersionsmittel direkt als Energiesammler für die Antriebsenergie verwendet. Bei der Verwendung von Solarenergie würde also das Wärmeübertragungs- bzw. Dispersionsmittel in den Kollektoren verdampft

und dampfförmig dem Latentwärmespeicher zugeführt.

Diese geschilderten Vorteile einer Kältemaschine bzw. Wärmepumpe nach Anspruch 4 lassen sich auch gemäß Anspruch 5 dadurch erreichen, daß das Wärmeübertragungsmittel zum Entladen des Wärmespeichers in direktem Kontakt mit dem Speichermedium geführt ist.

Nach Anspruch 6 ist es besonders vorteilhaft, wenn das Wärmeübertragungsmittel zum Entladen des Wärmespeichers das Arbeitsmittel der Kältemaschine bzw. Wärmepumpe ist. Das flüssige Arbeitsmittelkondensat aus dem Kondensator der Kältemaschine bzw. Wärmepumpe wird dem beladenen oder teilbeladenen Wärmespeicher zugeführt und wird durch Wärmeentzug durch Phasenwechsel des Speichermediums verdampft und steht als Treibdampf für die Dampfstrahlpumpe zur Verfügung .

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 7 besteht darin, daß sowohl das Wärmeübertragungsmittel zum Beladen des Wärmespeichers als auch das Arbeitsmittel der Kältemaschine, das als Wärmeübertragungsmittel zum Entladen des Wärmespeichers dient, in direktem Kontrakt mit dem Speichermedium geführt sind. Auf diese Weise werden die Übertragungsverluste durch Wärmetauscher weiter verringert, so daß sich die Leistungsziffer der Gesamtanlage wiederum erhöht. Zusätzlich wird die Anlage durch die eingesparten Wärmetauscher verbilligt.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Zeichnung.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten

Ausführungsform der Erfindung;

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Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten

Ausführungsform der Kältemaschine bzw. Wärmepumpe gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer dritten

Ausführungsform der Kältemaschine bzw. Wärmepumpe nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform der Kältemaschine bzw. Wärme

pumpe nach der vorliegenden Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der in einem Wärmespeicher 1 erzeugte Treibdampf gelangt über ein Regelventil 7 und eine Dampfleitung 6 in eine Dampfstrahlpumpe 2 mit einem integrierten Verdampfer 3. Der in der Dampfstrahlpumpe 2 erzeugte Mischdampf gelangt über eine Mischdampfleitung 8 in einen Kondensator 4. Bei Betrieb der Anlage als Kältemaschine wird aus dem Kondensator die· Kondensationswärme Q^aIs Abwärme abgeführt und bei Betrieb als Wärmepumpe wird hier die Nutzwärme entzogen. Das im Kondensator 4 kondensierte flüssige Arbeitsmittel 19 der Kältemaschine bzw. Wärmepumpe gelangt über eine Flüssigkeitsleitung 9 und eine Drossel 10 teilweise zurück in den in die Dampfstrahlpumpe 2 integrierten Verdampfer 3, wo es durch die DruckabsenWung verdampfen kann. Die zur Verdampfung des flüssigen Arbeitsmittels nötige Wärmeleistung Q wird von außen zugeführt. Bei Betrieb der Anlage als Kältemaschine entspricht diese zu-

QQ geführte Wärmeleistung der erbrachten Kälteleistung, und bei Betrieb der Anlage als Wärmepumpe entspricht diese Wärmeleistung der zusätzlich zur Antriebswärme als Nutzwärme gewonnenen Umgebungswärme. Der andere Teil des kondensierten Arbeitsmittels 19 wird durch eine Arbeitsmittel-

gg pumpe 11 in den Wärmespeicher 1 eingepumpt. In einem Entladungswärmetauscher 12 verdampft das flüssige Arbeitsmittel, 'indem einem Speichermedium 13 Wärme, entzogen wird, und gelangt als Treibdampf wieder in die Dampfstrahlpumpe 2,

In einem Energiesammler 5 wird die Antriebsleistung Q auf ein Wärmeübertragungsmittel 18 zum Beladen des Wärmespeichers 1 übertragen. Dieses erwärmte Wärmeübertragungsmittel 18 gelangt in einen Beladungswärmetauscha: 17 , durch den die Wärme auf das Speichermedium 13 übertragen wird. Das gekühlte Wärmeübertragungsmittel 18 gelangt über einen Flüssigkeitssammler 16, eine Flüssigkeitsleitung 14 und eine Flüssigkeitspumpe 15 zurück in den Energiesammler 5. In dem Beladekreislauf des Wärmespeichers kann sowohl ein Wärmeübertragungsmittel ohne Phasenwechsel, wie z.B.

Wasser oder Öl, als auch ein Wärmeübertragungsmittel mit Phasenwechsel, wie z.B. Frigen, verwendet werden. Bei der Verwendung eines Wärmeübertragungsmittels mit Phasenwechsel würde das Wärmeübertragungsmittel 18 im Energiesammler 5 durch die von der Antriebsenergiequelle aufgenommene Energie verdampfen und im Beladungswärmetauscher 17 wieder kondensieren und dabei die Kondensationsenergie an das Speichermedium 13 abgeben.

Durch Verwendung von getrennten Kreisläufen zum Be- und Entladen des Wärmespeichers 1 sind bei der Wahl der Arbeitsmittel, der Speichermedien und Wärmeübertragungsmittel insofern mehr Freiheiten gegeben, als diese Stoffe lediglich in ihren Arbeitstemperaturen aneinander angepaßt sein müssen und nicht bezüglich ihres Dampfdruckes. Es ist also durchaus möglich, daß im Wärmespeicher, im Entladungswärmetauscher und im Beladungskreis unterschiedliche Drücke herrschen.

Als Wärmespeicher 1 zur Treibdampferzeugung lassen sich Wärmespeicher verschiedenster Prinzipien, wie z.B. Latentwärmespeicher, Salzspeicher, chemische Speicher, Sorptionswärmespeicher und Speicher, die lediglich spezifische Wärme speichern, verwenden. Die Verwendung von Latentwärmespeiehern ist als besonders vorteilhaft anzusehen, weil durch die konstante Speichertemperatur Treibdampf mit konstantem Druck und konstanter Temperatur erzeugbar ist.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, die sich von der ersten Ausführungsform lediglich dadurch unterscheidet, daß das Wärmeübertragungsmittel zum Beladen des Wärmespeichers die Wärme in · direktem Kontakt an das Speichermedium abgibt und nicht über einen Wärmetauscher. Das im Energiesammler 5, z.B. einem Sonnenkollektor, erwärmte oder verdampfte Wärmeübertragungsmittel wird im unteren Bereich des Wärmespeichers zugeführt, steigt im Speichermaterial nach oben und gibt dabei seine spezifische Wärme bzw. seine Kondensationswärme ab. Über dem flüssigen Speichermedium 13 sammelt sich das Wärmeübertragungsmittel 18 und wird über den Flüssigkeitssammler 16, die Flüssigkeitsleitung 14 und die Flüssigkeitspumpe 15 zurück in den Energiesammler 5 befördert. Dadurch, daß das Arbeitsmittel 19 lediglich thermisch mit dem Speichermedium 13 in Kontakt ist, wird verhindert, daß Speichermedium 13 mit dem Treibdampf in die Dampfstrahlpumpe gelangt und dort Düsen verstopft.

Wenn anderweitig, z.B. durch einen Flüssigkeitsabscheider in der Treibdampfleitung oder durch Einbauten im Wärmespeicher dafür gesorgt wird, daß kein Speichermaterial durch den Treibdampf mitgerissen werden kann, so ergibt sich eine weitere Ausführungsform der Erfindung, wie sie in Fig. 3 schematisch dargestellt ist. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform lediglich dadurch, daß das flüssige Arbeitsmittel 19 in direktem Kontakt mit dem Speichermedium 13 verdampft wirci und nicht durch Wärmeübergang im Entladungswärmetauscher

In Fig. 4 ist schließlich eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kältemaschine bzw. Wärmepumpe dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist das Wärmeübertragungsmittel 18 zur Beladung des Speichers, gleichzeitig auch Arbeitsmittel 19 des nachgeschalteten Wärmepumpenbzw. Kältemaschinenkreislaufes. Sowohl das Be- als auch Entladen des Speichers geschieht durch direkten Kontakt des

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Wärmeübertragungs- bzw. Arbeitsmittels mit dem Speichermedium 13.

Besonders vorteilhaft ist hierbei, daß der im Energiesammler 5 erzeugte Wärmeübertragungs- bzw. Arbeitsmitteldampf bei beladenem Wärmespeicher 1 unmittelbar als Treibdampf zur Verfügung steht. Bei der Verwendung des gleichen Wärmeübertragungsmittels 18 sowohl zum Be- als auch Entladen des Wärmespeichers 1 muß darauf geachtet werden, daß das gewählte Wärmeübertragungsmittel 18 bzw. Arbeitsmittel 19 in seinen thermodynamisehen Eigenschaften an die gewünschten Betriebsbedingungen der Anlage angepaßt ist. Wie in allen Fällen, bei denen der Wärmeübergang durch direkten Kontakt geschieht, ist es natürlich wichtig, daß sich Speichermedium 13 und Wärmeübertragungsmittel 18 auch wieder entmischen und auch nicht chemisch miteinander reagieren. Diese Forderungen werden beispielsweise durch die Verwendung von Frigen als Arbeitsmittel erfüllt.

Sämtliche beschriebenen Ausführungsformen der Kältemaschine bzw. Wärmepumpe gemäß der vorliegenden Erfinidung lassen sich besonders vorteilhaft mit dem aus der Druckschrift EP-OS 00 79 452 bekannten Latentwärmespeicher realisieren. Aus Offenbarungsgründen wird auf diese Druckschrift vollinhaltlich Bezug genommen. Bezüglich der genaueren Ausgestaltung des Wärmepumpen- bzw. Kältemaschinenkreislaufes sei ausdrücklich auf die detaillierte Beschreibung verschiedener Schaltungsvarianten in der DE-OS 34 31 240.4 verwiesen, auf deren Offenbarung ebenfalls vollinhaltlich Bezug genommen wird.

Claims

Patentansprüche

Kältemaschine bzw. Wärmepumpe mit einem Verdichter in Form einer- Strahlpumpe., einem der Strahlpumpe vorgeschalteten Dampferzeuger zur Erzeugung des Treibdampfes, einem der Strahlpumpe nachgeschalteten Kondensator und einem mit der Strahlpumpe verbundenen Verdampfer, in dem niedrig gespannter Saugdampf zur Ansaugung durch den Treibdampf in den Saugraum der Strahlpumpe erzeugbar'ist, wobei vor dem Saugraum der Strahlpumpe eine Drosseleinrichtung für das Kondensat angeordnet ist, der Verdampfer zugleich zumindest als Teil der Drosseleinrichtung ausgebildet ist und die Form einer Wandanordnung aus porösem Material, vorzugsweise metallischem Material wie insbesondere Sintermetall aufweist, deren stromab liegende Oberfläche zumindest Teil der Umgrenzung des Saugraumes der Strahlpumpe bildet und deren seitliche Ränder flüssigkeitsdicht abgeschlossen sind, wobei zumindest die stromauf liegenden Oberflächenschichten der in Strömungsrichtung des Kondesats ersten oder einzigen Wand der Wandanordnung für Kondensat durchlässig ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet,

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daß der Dampferzeuger als Wärmespeicher (1) ausgebildet ist, der mittels einer Energiequelle beladbar ist, die Energie asynchron zum Leistungsbedarf des Kältekreislaufes liefert.
2. Kältemaschine bzw. Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmespeicher (1) ein Latentwärmespeicher mit Wärmespeicherung und Wärmeabgabe über Phasenwechsel des Speichermediums (13) ist.
3. Kältemaschine bzw. Wärmepumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Latentwärmespeicher auch ein Wärmeübertragungsmittel (18) zum Be- bzw. Entladen des Wärmespeichers (1) einen Phasenwechsel vollzieht.
4. Kältemaschine bzw. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeübertragungsmittel (18) zum Beladen des Wärmespeichers (1) in direktem Kontakt mit dem Speichermedium (13) geführt ist.
5. Kältemaschine bzw. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeübertragungsmittel (18) zum Entladen des Wärmespeichers (1) in direktem Kontakt mit dem Speichermedium (13) geführt ist.
6. Kältemaschine bzw. Wärmepumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeübertragungsmittel zum Entladen des Wärmespeichers (1) das Arbeitsmittel (19) der Kältemaschine bzw. Wärmepumpe ist.
7. Kältemaschine bzw. Wärmepumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl das Wärmeübertragungsmittel

(18) zum Beladen des Wärmespeichers (1) als auch das Arbeitsmittel (19) der Kältemaschine bzw. Wärmepumpe in direktem Kontakt mit dem Speichermedium (13) geführt ist,