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Wärmepumpe
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmepumpe, deren Kältemittelkreislauf
ein binäres nichtazeotropes Kältemittelgemisch enthält, mit einem Rekuperator, in
dem das Kondensat durch Verdampfung von Kältemittel unterkühlt wird.
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Bei der Optimierung von Wärmepumpenanlagen spielt die Erhöhung der
Leistungszahl der Wärmepumpe, d.h. des Verhältnisses aus Nutzenergie in Form von
Wärme und aufgewendeter Energie in Form von geleisteter Arbeit, eine wesentliche
Rolle. Der Einsatz von nichtazeotropen Kältemittelgemischen in einer konventionellen
Wärmepumpe, deren Kältemittelkreislauf im wesentlichen einen Verdichter, einen Verdampfer,
ein Expansionsventil und einen Kondensator enthält, führt zu einem Anstieg der Leistungszahl,
wenn man beispielsweise das Temperaturprofil des Kältemittelgemisches zwischen Eingang
und Ausgang des Verdampfers durch geeignete Wahl der Gemischzusammensetzung und
der Gemischkomponenten dem Temperaturprofil des Wärmequellenstromes weitgehend anpaßt.
Der damit verbundene Anstieg der Leistungszahl ist jedoch verhältnismäßig gering.
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Es ist eine Wärmepumpenanlage bekannt (ORC.-HP-Technology, Tagung
Zürich 10. - 12.9.1984, VDI-Berichte 539, VDI-Verlag Düsseldorf 1984, Seiten 791
bis 805), bei der in Verbindung mit einem nichtazeotropen Kältemittelgemisch, das
aus den Kältemitteln R 22 und R 114 besteht, eine Erhöhung der Leistungszahl gegenüber
einem Betrieb der Anlage mit dem reinen Kältemittel R22
um bis zu
18 % ermöglicht wird. Der Quotient aus dem jeweils bei 273 K herrschenden Dampfdruck
des Kältemittels R22 und dem Dampfdruck des Kältemittels R114 beträgt 5,7. Die hohe
Steigerung der Leistungszahl kann dadurch erreicht werden, daß mit Hilfe eines Rekuperators
das Kondensat im Kältemittelkreislauf zwischen Expansionsventil und Kondensator
durch Verdampfung von Kältemittel, das dem Rekuperator als Flüssigkeits-Dampf-Gemisch
zugeführt wird, unterkühlt wird. Der optimale molare Anteil x der leichter siedenden
Komponente R22 im Gemisch liegt dabei in Abhängigkeit von der Temperatur des Herzwassers
etwa in den Grenzen 0,7 c x t 0,8. Es ist jedoch nicht bekannt, welche Kriterien
bei der Auswahl anderer binärer nichtazeotroper Kältemittelgemische anzuwenden sind
und unter welchen Bedingungen man eine Steigerung der Leistungszahl um mehr als
18 % erhalten kann.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, Auswahlkriterien
für die Zusammensetzung von binären nichtazeotropen Kältemittelgemischen anzugeben,
mit denen man eine Verbesserung der Leistungszahl erreichen kann.
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Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, daß sich der Quotient
aus der Leistungszahl einer Wärmepumpe, deren Kältemittel aus einem binären nichtazeotropen
Kältemittelgemisch besteht, und der Leistungszahl einer Wärmepumpe, die als Kältemittel
nur die leichter siedende Komponente dieses Kältemittelgemisches enthält, durch
den molaren Anteil x der leichter siedenden Komponente im Gemisch und dem Quotienten
i aus dem Dampfdruck der leichter siedenden Komponente und dem Dampfdruck der schwerer
siedenden Komponente bei einer festen Temperatur beschreiben läßt.
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Die genannte Aufgabe wird nun erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 1. Ein für den Betrieb in einer Wärmepumpenanlage, die im
Kältemittelkreislauf zwischen Kondensator und Expansionsventil einen Rekuperator
zur Unterkühlung des Kondensators enthält, vorteilhaft geeignetes binäres nichtazeotropes
Kältemittelgemisch kann damit einfach gefunden werden. Aus der Vielzahl von Kältemitteln,
die miteinander eine nichtazeotrope Mischung ergeben, sind besonders diejenigen
Kombinationen vorteilhaft, bei denen der aus dem jeweiligen Dampfdruck bei 273 K
gebildete Quotient 2 die Bedingung 6 Z oL ~ 100 erfüllt. Für ein auf diese Weise
ausgewähltes Gemisch kann dann aufgrund der Erfindung der molare Anteil x der leichter
siedenden Komponente, bei dem die Steigerung der Leistungszahl maximal ist, einfach
ermittelt werden.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug
genommen, in deren Figur 1 die Schaltung einer Wärmepumpe, bei der binäre nichtazeotrope
Kältemittelgemische eingesetzt werden können, schematisch dargestellt ist. In Figur
2 ist die Abhängigkeit des Maximums ( ex/ g1)M der relativen Leistungszahl vom Logarithmus
des Quotienten o( aus dem jeweiligen Dampfdruck der Gemischkomponenten bei 273 K
in einem Diagramm dargestellt.
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Figur 3 zeigt die Abhängigkeit des molaren Anteiles xM der leichter
siedenden Komponente, bei dem die relative Leistungszahl Ex/ &1 ein Maximum
aufweist, vom Logarithmus des Dampfdruckquotienten j, ebenfalls in einem Diagramm.
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In der Ausführungsform einer Wärmepumpe nach Figur 1 gemäß dem Stand
der Technik, die für den Betrieb mit binären nichtazeotropen Kältemittelgemischen
vorgesehen ist, wird in einem Verdichter 2 das Kältemittelgemisch komprimiert und
einem Kondensator 4, der sich im thermischen Kontakt mit einer Wärmesenke befindet,
zugeführt. Von dort aus gelangt es zu einem Rekuperator 6 und über ein Expansionsventil
8 in den Verdampfer 10.
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Vom Verdampfer 10, der in thermischem Kontakt mit einer Wärmequelle
steht, wird das als Flüssigkeits-Dampf-Gemisch vorliegende Kältemittel zum Rekuperator
6 geführt, wo es vollständig verdampft und das zwischen Kondensator 4 und Expansionsventil
8 strömende Kondensat unterkühlt.
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In Figur 2 ist die Abhängigkeit der Höhe des Maximums ( x 61) 1 des
Quotienten aus der Leistungszahl des Gemisches und der Leistungszahl der reinen,
leichter siedenden Komponente vom Logarithmus des Quotienten aus dem Dampfdruck
der leichter siedenden Komponente und dem Dampfdruck der schwerer siedenden Komponente
jeweils bei 273 K, wie sie sich mit einer Wärmepumpenanlage gemäß Figur 1 ergibt,
in einem Diagramm dargestellt. Die Wärmequelleneingangstemperaur beträgt 273 K und
die Wärmesenkeneingangstemperatur 308 K. Die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelleneingang
und Wärmequellenausgang am Verdampfer 10 und die Temperaturdifferenz zwischen Wärmesenkenausgang
und Wärmesenkeneingang am Kondensator 4 ist gleich und beträgt 5 K. Der graphischen
Darstellung ist zu entnehmen, daß die Höhe des Maximums ( ( Ex/ g1)M mit wachsendem
< zunimmt. Bei ln o( ss 4,6, d.h. bei < sa 100 beträgt der Anstieg der Leistungszahl
gegenüber der reinen Komponente bereits etwa 30 %.
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In Figur 3 ist der molare Anteil XM, bei dem das Maximum der relativen
Leistungszahl ( £ &1)M liegt, in Abhängigkeit vom natürlichen Logarithmus des
Dampfdruckquotienten i aufgetragen. Diese Schwerpunktkurve ist für die gleichen
Wärmequellen- und Wärmesenken-Temperaturverhältnisse ermittelt, wie sie auch für
die in Figur 2 dargestellte Kurve zugrundegelegt sind. Der Kurve ist zu entnehmen,
daß sich mit zunehmenden Werten für den Dampfdruckquotienten < der Wert für den
optimalen molaren Anteil xM der leichter siedenden Komponente immer mehr dem Wert
1 annähert, daß also der Anteil der schwerer siedenden Komponente bei optimaler
Gemischzusammensetzung immer geringer wird. Die Schwerpunktkurve ist von einem schraffierten
Gebiet A umgeben, das den Bereich darstellt, in dem bei Veränderung des molaren
Anteils der leichter siedenden Komponente der relative Leistungszuwachs um nicht
mehr als 10 %, bezogen auf den maximalen relativen Leistungszuwachs, abnimmt. Es
ist zu erkennen, daß mit wachsendem Dampfdruckquotienten d die Höhe des Gebietes
A, d.h. seine Breite in senkrechter Richtung und parallel zur Ordinate, und somit
der zur Steigerung der Leistungszahl ausnutzbare Variationsbereich für den molaren
Anteil der leichter siedenden Komponente stetig abnimmt.
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Sie beträgt beispielsweise bei ln 4 = 4 noch etwa 1/6 des Betrages
von ln i = 2, wie es im Diagramm gestrichelt angedeutet ist.
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Auf diesen Sachverhalt ist zurückzuführen, daß der Einsatz eines Gemisches,
dessen Dampfdruckquotient größer als 100 ist, in der Praxis nicht mehr vorteilhaft
ist. Bei sehr hohen Werten des Dampfdruckquotienten X ist zwar ein hoher Zuwachs
der Leistungszahl möglich, jedoch erfordert der Einsatz eines solchen Gemisches
eine in der Praxis nur schwer einzuhaltende
Genauigkeit und Konstanz
der Zusammensetzung, da geringfügige Abweichungen in der Gemischzusammensetzung
vom optimalen Wert xM bereits den Zuwachs der Leistungszahl weitgehend rückgängig
machen.
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Den Figuren 2 und 3 ist somit zu entnehmen, nach welchen Gesichtspnkten
die Auswahl der Kältemittel für ein binäres nichtazeotropes Gemisch und die Auswahl
ihrer molaren Zusammensetzung zu erfolgen hat. Ein besonders vorteilhaftes Gemisch
liegt dann vor, wenn der Dampfdruckquotient < größer als 6 und kleiner als 100
ist. Nach Auswahl einer entsprechenden Kältemittelkombination und Ermittlung des
zugehörigen Dampfdruckquotienten ot kann die optimale molare Zusammenstzung aus
Figur 3 entnommen werden.
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In der nachfolgenden Tabelle sind die Bereiche für den molaren Anteil
der leichter siedenden Komponente, innerhalb derer sich der relative Leistungszuwachs
um weniger als 10 % gegenüber dem maximalen relativen Leistungszuwachs ändert, für
einige Gemischbeispiele aufgeführt: Gemisch zu ( K) x/El)M molarer Anteil der leichter
siedenden Komponente R22/Rll 12,4 1,15 0,945 t x ~ 0,975 R12/R113 21 1,19 0,97 t
x r 0,985 R13/Rll 49 1,25 0,985 = x = 0,992 Die Bereiche der Gemischzusammensetzung,
wie sie sich aus Figur 3 ergeben, sind nur geringfügig von den Temperaturverhältnissen
am Kondensator bzw. Verdampfer abhängig. Um diese unter praktischen Betriebsbedingungen
auftretenden verschiedenen Temperaturbedingungen zu be-
rücksichtigen,
ist der vorteilhafte, mit einer Steigerung der Leistungszahl, verbundene Bereich
der Gemischzusammensetzung etwas größer als der in der Tabelle angegebene Bereich.
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1 Patentanspruch 3 Figuren
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