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Verfahret zur Förderung von Wärme auf höhere Temperatur. Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zur Förderung von Wärme von einem Ort niederer Temperatur
nach einem Ort höherer Temperatur mittels eines Wärmeträgers, der in einer nachArt
vonKompressions-Kältemaschinenanlagen arbeitenden Maschinenanlage im Kreislauf geführt
wird. Nach der Erfindüng wird der Wärmeträger eines Kreislau@.s. beire Verdichtungsvorgang
in wenigstens zwei Teile geteilt, die auf verschieden hohe Drucke bzw. verschieden
hohe Temperaturen gebracht und nach der Entspannung in eine gemeinsame Rückleitung
geführt werden, in welcher sie Wärme bei niederer Temperatur aufnehmen. Wird zur
Ausübung des Verfahrens ein mehrstufiger Verdichter angewendet, so kann von einer
niederen Druckstufe des Verdichters ein Teil des Wärmeträgers entnommen und einer
anderen Heizstelle zugeführt werden als der von der letzten Druckstufe ausgestoßene
Rest des Wärmeträgers: Natürlich können bei Anwendung eines Verdichters mit mehr
als zwei, Druckstufen zwischen der ersten und der letzten Entnahmestelle noch weitere
Stellen für die Entnahme weiterer Teile des Wärmeträgers eingeschaltet werden.
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Das Verfahren kann ferner so ausgebildet sein, daß der Wärmeträger
zwecks Verdichtung auf wenigstens zwei mit verschieden hohen Enddrücken arbeitende
Verdichter verteilt, und daß alsdann die mit verschieden hohen Temperaturen behafteten
Teile des Wärmeträgers derart kühleren Stellenzugeführt werden, daß sie daselibst
in Hintereinanderschaltung Wärme abgeben.
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Es kann im. weiteren das Verfahren so aus= gebildet sein., daß der
Wärmeträger von einer mehrstufigen Verdichteranlage angesaugt, von derselben in
Teilen mit jeweils höherem Dnudk abgegeben wird, daß sodann wenigstens zwei Teile
kühleren Stellen zugeführt werden, wo diese Teile in Hintereinanderschaltung Wärme
abgeben.
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Die Wärme kann einer großen Wassermasse entnommen und in Temperaturstufen
Verbrauchsstellen zugeführt werden. Eine Anlage, in welcher Wärme von einem Ort
niederer nach einem Ort höherer Temperatu@r mittels eines Wärmeträgers, der in einer
nach Art von Kompressions-Kältemaschinenanlagenarbeitenden Maschinenanlage im Kreislauf
geführt wird, besteht der Hauptsache nach aus drei Teilen, nämlich: i. einem Verdampfer,
in welchem. der Kälteträger Wärme aufnimmt, 2. einem Verdichter, in welchem der
verdampfte, also gasförmige Wärmeträger verdichtet wird, 3. einem Kondensator, in
welchem der Wärmeträger die Wärme abgibt.
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Bei zeitlich vorgeschriebener zu fördernder Wärmemenge ist der Kraftverbrauch
einer solchen Anlage abhängig von der Anfangstemperatur bzw. vom Anfangsdruck .und
von der Endsattdampftemperatur bzw. dem Enddruck des Verdichters. Die für die Verdichtung
erforderliche Arbeit kann dadurch herabgesetzt werden, daß nur ein Teil des Wärmeträgers
auf den höchsten in der Anlage vorkommenden Druck bzw. auf die höchste vorkommende
Kondensationstemperatur verdichtet wird, währenddem der andere Teil oder die anderen
Teile des Wärmeträgers keinem so hohen Verdichtungsgrad unterworfen wird bzw. werden.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, mit verschiedenen Temperaturstufen zu arbeiten.
Dabei handelte es sich aber um mehrere völlig getrennte Kreisläufe des Wärmeträgers,
während nach der Erfindung nur ein einziger aber verztveigter Kreislauf angewendet
wird.
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Das neue Verfahren bringt, wenn auf eine Kälteanlage angewendet, Ersparnisse
nicht nur im Kraft- sondern auch im Kühlwasserverbrauch und macht sich insbesondere
da vorteilhaft geltend, wo eine verhältnismäßig geringe Kühlwassermenge zur Verfügung
steht, welche sich verhältnismäßig stark erwärmen muß, um. die vorgeschriebene Wärme
abführen zu können. In diesem Fall kann bei Anwendung der Erfindung die Wärmeabführung
in der Weise unterteilt werden, daß
wenigstens ein Teil dest Wärmeträgers
auf einen bestimmten, verhältnismäßig geringen Druck verdichtet wird und den großen
Teil seines Wärmeinhaltes in einem Kondensator abgibt, der vom frischen Kühlwasser
uanspült ist, während der übrige Teil des Wärmeträgers auf einen höheren Druck verdichtet
wird und seine Verdampfungswärme in einem Kondensator abgibt, welcher von dem Kühlwasser
umspült wird, das zuvor schon die V erdampfungswärme im erstgenannten Kondensator
aufgenommen hat. Bei vorgeschriebener Kühlwassermenge ist der Kraftverbrauch einer
in dieser Weise arbeitenden Anläge geringer, als wenn der gesamte Wärmeträger auf
den vollen Enddruck gebracht würde. Je weiter die Unterteilung getrieben wird, um
so größer ist die Kraftersparnis (bei Unterteilung in unendlich viele Druckstufen
würde sich als Grenzwert ein Kraftverbrauch ergeben, der halb -so groß ist, wie
der Kraftverbrauch einer mit nicht unterteilter Verdichtung arbeitenden Anlage).
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Ein anderes Anwendungsgebiet des erfinderischen Verfahrens ist die
sog. Wärmepumpe, mittels welcher nutzbare Wärme von einer zur Verfügung stehenden
Wärmequelle niederer Temperatur nach einem WärmeverbrauchsoTt höherer Temperatur
beispielsweise zwecks Heizung zu fördern ist. Hier handelt es sich in der Regel,
darum, verhältnismäßig hohe Endtemperaturen -zu erreichen, d. h. das die Wärme aufnehmende
Mittel, z. B. Wasser, um viele Grazie zu erwärmen. Wird in einem solchen Fall beispielsweise
aus Grund= oder Meerwasser Wärme bei etwa 4° C entnommen, so kann mittels dieser
Wärme unter Anwendung vorliegenden Verfhhrens Wasser z. B. von 2o° auf 6o° erwärmt
werden, wobei der Kraftverbrauch für diese Wärmeförderung auf etwa zwei Drittel
des Kraftverbrauches einer Anlage ohne Anwendung des erfinderischen Verfahrens herabgesetzt
wird.
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Die Zeichnung zeigt in schematischer Weise vier nach Ausführungsbeispielen
des Verfahrens der Erfindung arbeitende Anlagen, und zwar sind in den Abb. 1, 2
und 3 Kühlanlagen, in Abb. 4 eine Anlage zum Erwärmen von Wasser dargestellt.
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Gemäß Abb. i treibt ein Elektromotor M, einen mehrstufigen Kreiselverdichter
2 an, welcher den Wärmeträger, z. B. Ammoniak, im Kreislauf fördert. Der vorn Motor
M, angetriebene Verdichter 2 saugt mittels des Rohres 3 Ammoniak an und verdichtet
drei Teile dieses Wärmeträgers auf drei verschiedene Drucke bzw. Temperaturen. Ein
erster Teil des Wärmeträgers verläßt den Verdichter 2 durch den Stutzen: q: mit
einem Druck p" und einer Temperatur t", ein zweiter Teil verläßt den Verdichter
durch den einer mittleren Druakstu;fe angehörigen Stutzen 5 mit .dem Druck h und
der Temperatur tb, der Rest des Wärmeträgers tritt aus der letzten Druckstufe durch
den Stutzen 6 aus und besitzt den Druck p, und die Temperatur t,. Hierbei ist: r.
< Pb < PC
ta < tb < tc. Die aus den
Stutzen q. bz',v. 5 bzw. 6 ausgestoßenen Teile des Wärmeträgers gelangen durch die
Rohre ; bzw. 8 bzw. 9 in Kühlschlangen io bzw. ii bzw. 12, welche in Behälter 13
bzw. 14 abzw. 15 eingebaut sind. Diesen Behältern wird Kühlwasser in Hintereinanderschaltung
zugeführt, und zwar derart, daß das frische Kühlwasser durch den Stutzen 16 unten
in den Behälter 13 eintritt, da;ß es sodann in erwärmtem Zustand diesen Behälter
13 oben verläßt .und durch das Rohr 17 unten in den Behälter 14 eintritt, daß sodann
das aus denn oberen Teil des Behälters 14 abgeführte Kühlwasser durch das Rohr 18
unten in den Behälter 15 eingeführt und durch den Stutzen i9 aus dem oberen Teil
dieses Behälters: nach außen abgeführt wird. Weil die Teile des Wärmeträgers, welche
die Kühlschlangen io, ii und 12 durchströmen, jeweils höhere Temperatur haben 'als
das sie Lvmgebende Wasser, vermögen sie an die in den Behältern 13, 14 und 15 befindlichen
Kühles ,assermengen eine hinreichende Wärmemenge ,abzugeben, trotzdem das Kühlwasser
sich bei dem. hintereinanderfolgenden Durchströmen der Behälter 13, 14 und 15 immer
mehr erwärmt. Auf diese Weise ist es mnglich, mittels einer verhältnismäßig geringen
Kühlwassermenge eine verhältnismäßig große Wärmemenge abzuführen. Nach dem Durchströmen
der Kühlschlangen io, i i und 12 werden die drei Teile des Wärmeträgers (Ammoniak)
durch Drosselstrecken 2o, 21 und 2Z geführt, in welchen sie sich entspannen und
dabei .auf eine niedere Temperatur tk gebracht werden. In. dem Rohr 23 werden die
drei Teile des Wärmeträgers gesammelt und alsdann der Rohrschlange-24 zugeführt,
welche in einen Solebehälter 25 eingebettet ist. Der mit der Anfangstemperatur tk
in, die Schlange 24 eintretende Wärmeträger entzieht der im Behälter 25 befindlichen
Sole ein entsprechende Wärmemenge und kühlt sie ab, so daß die durch den Stutzen
26 mit einer verhältnismäßig hohen Temperatur eintretende Sole den Behälter 25 durch
den Stutzen 27 mit einer tiefen verlassen kann, und dadurch befähigt ist, .an einem
anderen Ort Wärme aufzunehmen und so als Kühlflüssigkeit .zu wirken. In dem in Abb.
i dargestellten Beispiel durchströmt die Sole den Behälter 28 und bringt das in
den Zellen
29 befindliche Wasser zum Gefrieren (Eisfabrikation).
Aus der Schlange 24 gelangt das Ammoniak durch das Rohr 3 nach dem Kreiselverdichter
:2 und so beginnt das Spiel aufs Neue. Der Behälter 25 mit der Sole und der Schlange
24 wirkt auf das Ammoniak als Verdampfer, die Behälter 13, 14 ,und 15 mit den eingebauten
Schlangen io, ii und 12 und dem sie umgebenden Kühlwasser wirken als Kondensatoren.
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In Abb. 2 ist eine Kühlanlage dargestellt, bei welcher wie beim ersten
in Abb. i dargestellten Ausführungsbeispiel in einem Behälter 31 befindliche Sole
gekühlt werden soll. Der Wärmeträger, z. B. Äthylchlorid, wird, mittels des vom.
Motor 1N, .angetriebenen Kreiselverdichters 32 durch das Rohr 33 angesaugt und in
zwei, den Verdichter 32 nach verschiedenen Druckstufen verlassende Teile unterteilt,
welche durch die Rohre 34 und 35 nach Kondensatorschlangen 36 und 37 geführt, sodann
in Redu.zierventilen 38 und 39 entspannt und in die im Solebehälter 31 befindliche
Verdarnpferschlange 4o zurückgeleitet werden, um sodann das Spiel von Neuem zu beginnen.
Während jedoch beim ersten Ausführungsbeispiel die Kühlwasserbehälter 13, i4 und
15 bezüglich Durchflusses des Kühlwassers hintereinander geschaltet sind, werden
bei diesem zweiten Beispiel die Kühlwasserbehälter 41 und 42 je mit frischem Kühlwasser
gespeist, welches ihnen durch die Rohre 43, 44 .und 45 zugeführt wird, und zwar
in.it einer Anfangstemperatur to. Das verbrauchte Kühlwasser strömt aus den
zwei Kühlwasserbehältern durch die Rohre 46 .und 47 ab, und zwar ist die Temperatur
des durch das Rohr 47 abfließenden Wassers viel. höher als die Temperatur des durch
das Rohr 46 ablaufenden Wassers. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Kühlwasserbehälter
41 und 42 und auch die Kühlrohre 36 und 37, also die aus diesen beiden Elementen
zusammengesetzten Kondensatoren sowohl bezüglich D,urchflusses des Wärmeträgers
als auch des Kühlwassers parallel geschaltet. Dagegen ist der Teil des Wärmeträgers,
welcher von den zwischen den Anschlüssen der Rohre 34 und 35 gelegenen Stufen des
Verdichters 32 weiter verdichtet wird, hinter den ersten, 'durch das Rohr 34 abgeführten
Teil des Wärmeträgers geschaltet. Eine Hintereinanderschaltung von Teilen des Wärmeträgers
findet also bei diesen Beispiel nur im Verdichter statt.
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Bei dem, in Abb.3 dargestellten Beispiel einer Kühlvorrichtung sind
die vom Motor JIa gemeinsam angetriebenen Verdichter 51 und 52. parallel geschaltet.
Beide saugen je einen Teil des Wärmeträgers aus dem in einen Solebehälter 53 eingebetteten
Verdampferrohr 54. Den Verdichter 52 erzeugtjedoch einen größeren Enddruck und damit
eine größere Endtemperätur als der Verelichter 51. Der von letzterem geförderte
Teil desWärmeträgers wird der Kühlschlange 5;, der vorn Verdichter 52 geförderte
Teil des `'Wärmeträgers wird der'I,#ühlschlage 5@ zugeführt. Aus diesen Kühlschlangen
55 -und 56 gelangen die Wärmeträgerteile nach je einer in Redwzierventilen 57 und
58 erfolgenden Entspannung durch Röhren 59 und 6o zurück zur Verdampferschlange
54. Die Kühlröhren 55 und 56 sind in einen durchgehenden Behälter 6-1, 62 verlegt,
in welchen frisches Kühlwasser durch das Rohr 63 von unten eintritt, und aus welchem
das erwärmte Kühlwasser beim Stutzen 64 oben austritt. Die Kühlschlangen 55 und
56 sind bezüglich Durchflusses der Wärmeträgerteile parallel, bezüglich Wärmeabgabe
an das den Behälter 61,62 durchströmende Kühlwasser hintereinander geschaltet. Auf
diese Weise ist es wiederum möglich, mittels einer verhältnismäßig geringen Kühlwassermenge
eine große Wärmemenge in wirtschaftlicher Weise abzuführen. Die parallel zueinander,
aber auf verschiedene Enddrücke arbeitenden Verdichter 51 und 52 bedürfen keinen
so großen Energieaufwand, als wenn die ganze Menge des im Kreislauf geführten Wärmeträgers
auf den gleichen hohen Enddruck gebracht werden müßte. Durch diese Ersparnis an
Kühlwasser und an Kraftaufwand ist also eine solche Anlage gegenüber vorbekannten
Einrichtungen eine sehr wirtschaftliche.
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Bei der in Abb. 4 beispielsweise und schematisch dargestellten Einrichtung
soll durch einen Kanal 71 und 72 geführtes Wasser von 2o° C Anfangstemperatur auf
6o° C gebracht werden. Die hierfür erforderliche Wärme soll einem stets mit frischem
Meerwasser gefüllten Behälter 73 entnommen werden. Zwecks dieser Wärmeförderung
wird mittels des mehrstufigen Kreiselverdichters 70 schweflige Säure
(SO,) in folgender Weise im Kreislauf . geführt: Die schweflige Säure wird
durch eine Rohrschlange 74 geführt, welche von dem im Behälter 73 befindlichen,
verhältnismäßig warmen Meerwasser umspült ist, so daß eine hinreichende Menge Wärme
aus dem Meerwasser durch die Rohrschlange 74 hindurch an den Wärmeträger
(SO,) übergeht. Die auf diese Weise erwärmte schweflige Säure wird durch
das Rohr 75 hindurch vom mehrstufigen Kreiselverdichter 7o angesaugt und in demselben
wie beim ersten Beispiel in drei Teile unterteilt, so daß der den letzten Stutzen
76 verlassende Teil eine höhere Temperatur td besitzt, als der aüs dem mittleren
Stutzen 77 austretende Teil des, Wärmeträgers (Temperatur
te),
und daß dieser Teil wiederum eine höhere Temperatur besitzt als der aus dem Stutzen
78 austretende Teil des Wärmeträgers, dessen Temperatur - t f. Es ist also
td > t, tf.
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Der den Verdichter -o durch den Stutzen 78 zuerst verlassende Teil
der schwefligen Säure gelangt nach der Heizschlange 79, welche in den Kanal 71 und
72 eingebettet ist, sodann durch das ReduzierventilSi, wird daselbst entspannt und
gelangt durch die Rohre 82 und 83 zurück zu der ini Meerwasser befindlichen Rohrschlange
74. Der den Verdichter 70 durch den Stutzen 77 verlassende, mit der mittleren Temperatur
t, behaftete Teil des Wärmeträgers gelangt: in die ebenfalls in den Kanal 71 und
72 eingebettete Heizschlange84, wird sodann im Reduzierventil85 entspannt ' und
gelangt durch die Rohre 86 und 83 in die Rohrschlange 74. In ähnlicher Weise wird
der im Kreiselverdichter 7o befindliche Rest der schwefligen Säure durch den Stutzen
76, die Heizschlange 87, das Reduzierventil 88 und das Rohr 83 in die Rohrschlange
74 geführt. Von hier aus beginnen die nunmehr vereinigten Teile des Wärmeträgers
(S02) ihren Kreislauf aufs Neue. Das in Richtung der Pfeile I und II durch den Kanal
71 und 72 geführte Wasser kommt zuerst mit der Heizschlange 79 in Berührung und
erwärmt sich dabei beispielsweise von 2o auf 4o° C. Sodann umspült es die Heizschlange
84 und wird hierbei auf eine Temperatur = 55° C gebracht. Zuletzt umspült es die
Heizschlange 87 und erfährt eine Temperatursteigerung bis auf 65° C. Die von den
einzelnen Teilen des Wärmeträgers (S02) durchströmten Heizschlangen 79, 84 und 87
sind bezüglich Führung des Wärmeträgers zwar parallel, bezüglich ihrer Wirkung auf
das durch den Kanal 71 und72 geführteWasser jedoch hintereinander geschaltet. Auf
diese Weise kann eine große Temperaturerhöhung des Wassers erreicht werden, trotzdem
nur der ,letzte Teil, des Wärmeträgers auf eine entsprechend hohe Temperatur td
und einen entsprechend hohen Druck gebracht zu werden braucht. Die anderen Teile,
welche den Verdichter bei niedrigeren Druckstufen durch die Stutzen 77 und 78 verlassen,
müssen nicht so hoch verdichtet werden und erfordern demnach auch keinen so hohen
Kraftaufwand von Seiten des Antriebsmotor l1114. Der gesamte Kraftaufwand ist deshalb
geringer, als wenn die gesamte Menge der schwefligen Säure auf die hohe Temperatur
td und deshalb auf den hohen Druck A gebracht würde, wie dies bei bekannt
gewordenen Einrichtungen der Fall ist.
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Natürlich könnte man den Wärmeträger statt in zwei oder drei, auch
in mehr Teile unterteilen.
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Bei einer im letzten Ausführungsbeispiel beschriebenen Anlage könnte
durch den Kanal 71 und 72 statt Wasser zwecks Erwärmung auch Luft durchgeleitet
werden, welche im erwärmten Zustand `wasserhaltige Körper trocknen soll. Diese Luft
kann alsdann durch Abkühlen von der aufgenommenen Feuchtigkeit befreit und so zu
neuer Aufnahme von Feuchtigkeit befähigt werden. Zu diesem Zweck kann die Luft in
an sich bekannter Weise zwischen dem Verdampfer und dem Kondensator des W ärmeträgerkreisprozesses
auch ihrerseits im Kreislauf geführt werden.