DE3529534C1

DE3529534C1 - Kompressionskältemaschine oder -wärmepumpe

Info

Publication number: DE3529534C1
Application number: DE19853529534
Authority: DE
Inventors: Wilfried Prof. Dr.-Ing. 2061 Sülfeld Roetzel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-08-17
Filing date: 1985-08-17
Publication date: 1986-12-11

Description

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gegeben. Lediglich ein sehr kleiner Verlustwärmestrom außen gekühlt wird. Auch die Zylinderfläche selbst kann

wird durch die auf der Verdampfungsfläche ruhende als Kondensationsfläche dienen.

Flüssigkeit hindurch an die kältere Verdampfungsfläche Als Verdampfer können Naturumlaufverdampfer,

geleitet. Kettle-Type-Verdampfer oder Siedebehälter verwen-

Um diesen Verlustwärmestrom möglichst klein zu 5 det werden. Im einfachsten Fall ist wie beim Gravita-

halten, sollte die Oberfläche des Flüssigkeitsspiegels im tionswärmerohr ein senkrechtes oder geneigtes, unten

Verdampfer möglichst kleiner als die Verdampfungsflä- verschlossenes Rohr anwendbar. Ebenso kann wieder

ehe sein. Der Flüssigkeitskörper sollte möglichst so ge- der untere Teil der Zylinderfläche selbst als Verdamp-

formt sein, daß er der Wärmeleitung vom Flüssigkeits- fungsfläche dienen.

spiegel an die Verdampfungsfläche einen großen Wider- 10 Der Vorteil der beschriebenen Kompressionskältestand entgegensetzt maschine oder -wärmepumpe nach der Erfindung be-

Wird anschließend das Volumen des eingeschlosse- steht in der Einfachheit der Konstruktion und darin, daß

nen Kältemittels unter Gewinnung von Arbeit wieder ein hoher exergetischer Wirkungsgrad erreichbar ist.

vergrößert, so entspannt sich zunächst der Dampf, bis Die Steuerung der Wärmeströme ist einfacher als bei

der zur tieferen Temperatur der Dampfungsfläche ge- 15 der Stirling-Maschine weil hierzu keine bewegliche, me-

hörende Dampfdruck leicht unterschritten wird. Dann chanische Vorrichtung benötigt wird,

setzt Blasenverdampfung und Wärmeaufnahme über Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeich-

die Verdampfungsfläche bei der unteren Prozeßtempe- nungen beispielsweise erläutert

ratur ein, bis der Anfangszustand wieder erreicht ist F i g. 1 zeigt eine sehr einfache Konstruktion für klei-

Auch hier tritt ein kleiner Verlustwärmestrom auf, 20 ne Kälteleistungen und Handantrieb,

der von der warmen Kondensationsfläche an den Fig.2 zeigt eine einstufige Kompressionskältema-

Dampf vorwiegend durch Leitung übertragen wird. schine.

Folglich wird im wesentlichen vom System Wärme Mit dem unteren berippten Rohrende kann z. B. eine

nur über die Verdampfungsfläche bei der unteren Pro- Flüssigkeit durch Eintauchen gekühlt werden,

zeßtemperatur aufgenommen und nur über die Kon- 25 Der Arbeitszylinder a ist eine Gummiblase, die von

densationsfläche bei der oberen Prozeßtemperatur ab- Hand periodisch zusammengedrückt wird,

gegeben. Der Verdampfer b und Kondensator c sind einseitig

Im Idealfall durchläuft das eingeschlossene zweipha- verschlossene Rohre wie beim Gravitationswärmerohr,

sige Kältemittel oder ein aktiver Anteil davon einen Außen sind zur Verbesserung des Wärmedurchgangs

linksläufigen Carnot-Prozeß mit zwei Isotropen bei der 30 Rippen angebracht.

Verdichtung und Entspannung, sowie zwei Isothermen Es ist zu erkennen, daß der Flüssigkeitsspiegel c/rela-

bei der Wärmeaufnahme und Wärmeabgabe durch Ver- tiv klein ist und so liegt, daß die Verdampfungsfläche

dampfung bzw. Kondensation. stets überflutet ist Das gesamte Kondensat kann auf die

Bei der Kältemaschine werden, wie oben erläutert, überflutete Verdampfungsfläche abfließen. Die dargedie Wärmeströme selbsttätig ohne eine besondere Vor- 35 stellte Maschine ist ein Gravitationswärmerohr, dessen richtung dadurch gesteuert, daß an beiden Wärmeüber- Volumen mitJHilfe der Blase a verändert wird,
tragungsflächen sowohl bei Film- und Tropfenkonden- Die in F i g. 2 gezeigte Kompressionskältemaschine sation wie bei Blasenverdampfung der Wärmeübergang ist mit einem doppelwirkenden Zylinder a, zwei Kettlewesentlich besser ist als bei umgekehrter Wärmestrom- Type-Verdampfern b und zwei Rohrbündel-Rückflußrichtung ohne Phasenänderung. Die Kondensationsflä- 40 kondensatoren c ausgebildet Beide Verdampfer b und ehe und die überflutete Verdampfungsfläche wirken beide Kondensatoren c sind hier mit je einem durchgebeide als thermische Gleichrichter, genauso wie in ei- henden Rohrbündel e ausgestattet und zu einem Appanem Gravitationswärmerohr. rat vereinigt.

Man kann die Kältemaschine auch als ein Gravita- Die Zeichnung stellt eine Momentaufnahme dar. Der

tionswärmerohr auffassen, dessen Volumen mit Hilfe 45 Kolben bewegt sich nach links. Im linken Dampfraum ist

eines Zylinders mit Kolben oder einer anderen Vorrich- bereits die obere Prozeßtemperatur überschritten, so

tung periodisch verändert wird (siehe hierzu F i g. 1). daß im linken Kondensator Kondensation mit Wärme-

Die Kältemaschine funktioniert nur, wenn Auftriebs- abgabe an die in den Kondensatorrohren strömende kräfte wirken können, d. h. wenn ein Gravitationsfeld Flüssigkeit stattfindet Im linken Verdampfer wird jevorhanden ist oder Beschleunigungskräfte wirken. Es 50 doch praktisch keine Wärme an die in den Verdampferkönnten z. B. auch Zentrifugalkräfte an rotierenden rohren strömende Flüssigkeit übertragen.
Flächen ausgenutzt werden. Im rechten Raum ist bereits der zur unteren Prozeß-Bezüglich des Arbeitszylinders sind verschiedene temperatur gehörende Dampfdruck unterschritten, so Konstruktionen möglich. daß im rechten Verdampfer Blasenverdampfung mit

Es können z. B. doppelwirkende Zylinder mit je einem 55 Wärmeaufnahme aus der in den Verdampferrohren

Verdampfer und Kondensator verwendet werden (siehe strömenden Flüssigkeit stattfindet. Im rechten Konden-

F i g. 2). sator wird jedoch praktisch keine Wärme übertragen.

Anstelle eines Zylinders mit Kolben können mecha- Es ist zu erkennen, daß das gesamte Kondensat auf

nisch oder hydraulisch angetriebene Bälge und Mem- die überflutete Verdampfungsfläche abfließen kann,

branen oder ähnliches verwendet werden. Auch eine 60 wodurch die Fläche des rechten Kondensators trocken

schwersiedende Flüssigkeit als flexibler Kolben ist ist. Die Fläche (d) des Flüssigkeitsspiegels ist relativ

denkbar. klein.

Als Kondensator können Rückflußkondensatoren un- Der Antrieb der Kolbenstange ist in F i g. 2 nicht ein-

terschiedlichster Konstruktion oder auch ein Abfluß- gezeichnet, weil er nicht Gegenstand der Erfindung ist

kondensator mit Dampf eintritt oben verwendet werden. 65 Die Kolbenstange kann z. B. über einen Kurbeltrieb

Im einfachsten Fall kann der Kondensator wie beim oder einen Preßluft-Zylinder erfolgen. Der Kolben muß

Gravitationswärmerohr aus einem senkrechten oder periodisch zwischen der rechten und linken Endsteilung

geneigten, oben verschlossenen Rohr bestehen, das von hin- und herbewegt werden.

Die beiden Zeichnungen demonstrieren die Einfachheit der Maschine. Es sind weder Ventile oder Drosselorgane noch Steuerkolben vorhanden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

1 2 Ein besserer exergetischer Wirkungsgrad kann mit Patentansprüche: einer bekannten Stirling-Gaskältemaschine erzielt wer den, bei d$r die Kompression und die Entspannung ei-

1. Kompressionskältemaschine oder -wärmepum- nes gasförmigen Kältemittels in demselben Arbeitszype, mit einem abgeschlossenen Behälter, welcher in 5 linder mit Kolben wechselweise durchgeführt wird. Die einen unteren sowie in einen darüber angeordneten zu- und abfließenden Wärmeströme werden dabei mit oberen Behälterteil aufgeteilt ist, mit jeweils züge- Hilfe eines zusätzlichen Verdrängerkolbens mit spezielordneten Wärmeübertragungsflächen im oberen lern Kurbelbetrieb gesteuert Jedoch bereitet die Wär- und unteren Behälterteil zum Abführen bzw. Zufüh- meübertragung bei dem gasförmigen Kältemittel einige ren von Wärme, mit einem periodisch betätigten io Schwierigkeiten.

Verdränger und mit einem Kältemittel in dem Behäl- Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darter, dadurchgekennzeichnet, daß der Ver- in, eine Kompressionskältemaschine oder -wärmepumdränger in einer ersten Bewegungsperiode eine Vo- pe der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß lumenverringerung in dem gesamten Behälter aus- sie Vorteile des dampfförmigen Kältemittels der herübt, wobei das Kältemittel unter Abgabe von Nutz- 15 kömmlichen Kompressionskältemaschine mit den Vorwärme im oberen Behälterteil bei einem höheren teilen der Stirling-Gaskältemaschine in sich vereinigt Druck kondensiert und in den unteren Behälter ab- und deren Nachteile vermeidet

läuft daß der Verdränger in einer zweiten Bewe- Dies wird erreicht durch eine Kompressionskältema-

gungsperiode eine Volumenvergrößerung in dem schine oder -wärmepumpe gemäß den Patentansprü-Behälter ausübt wobei das Kondensat unter Erzeu- 20 chen.

gung von Nutzkälte im unteren Behälterteil bei ei- Wie bei der Stirling-Gaskältemaschine wird die Ver-

nem niedrigeren Druck verdampft. dichtung und Entspannung des Kältemittels in einem

2. Kompressionskältemaschine oder -wärmepum- Arbeitszylinder mit Kolben wechselweise durchgeführt pe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß Als Kältemittel wird jedoch Naßdampf verwendet die Wärmeübertragungsfläche im unteren Teil des 25 Wie bei der herkömmlichen Kompressionskältema-Behälters stets überflutet ist. schine werden ein Verdampfer und ein Kondensator

3. Kompressionskältemaschine oder -wärmepum- verwendet Im Unterschied zur herkömmlichen Maschipe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ne ist der Zylinderraum jedoch direkt d. h. ohne Ventile der Verdränger aus einer handbetätigten Gummi- oder dergleichen mit dem Verdampfer und dem Konblase besteht, die zwischen dem oberen und dem 30 densator verbunden, so daß überall stets etwa der gleiunteren Behälterteil angeordnet ist ehe Druck herrscht ^

4. Kompressionskältemaschine oder -wärmepum- Verdampfer, Kondensator und Zylinder bilden zupe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sammen einen geschlossenen Behälter veränderbaren zwei parallel angeordnete Behälter vorgesehen sind, Volumens, und das eingeschlossene zweiphasige Kältederen Volumenveränderungen durch jeweils zy- 35 mittel stellt ein geschlossenes System im Sinne der klisch vertauschte Bewegungsperioden eines Ver- Thermodynamik dar. Im System herrscht örtlich etwa drängers erzielt werden, wobei der Verdränger konstanter und zeitlich veränderlicher Druck. Im Gedurch einen gemeinsamen, doppelt wirkenden KoI- gensatz dazu herrschen bei der herkömmlichen Komben gebildet ist. pressionskältemaschine unterschiedliche Drücke im

40 Verdampfer und Kondensator, die sich bei stationärem

Betrieb zeitlich nicht ändern.

Für die Funktion der Maschine ist es wesentlich, daß die Kondensationsfläche höher als die Verdampfungs-

Die Erfindung betrifft eine Kompressionskältema- fläche angeordnet ist und zwar so, daß das sich bildende schine oder-wärmepumpe gemäß dem Oberbegriff des 45 Kondensat von der Kondensationsfläche auf die VerPatentanspruchs 1. dampfungsfläche abfließen kann. Die Verdampfungsflä-

Eine Kompressionskältemaschine der vorgenannten ehe muß stets überflutet sein, so daß Blasenverdamp-Art ist bekannt (»Kältetechnik«, M. Bäckström, 1953, fung stattfinden kann. Hierzu muß eine genügend große Seiten 77 bis 82, insbesondere Fig. 4.04). Sie enthält eine Flüssigkeitsmenge vorhanden sein, unveränderliche Menge eines zweiphasigen Kältemit- 50 Bei unbewegtem Kolben, d. h. bei konstant gehaltetels in einem abgeschlossenen Behälter mit periodisch nem Gesamtvolumen des eingeschlossenen zweiphasisich veränderndem Volumen aufgrund der Kolbenbe- gen Kältemittels, arbeitet die Kältemaschine wie eine wegung. Die Begrenzungswände sind bereichsweise als Dampfheizung oder ein Gravitationswärmerohr, wenn Kondensations- bzw. Verdampfungsflächen ausgebil- man den Verdampfer beheizt und den Kondensator det 55 kühlt.

Eine andere herkömmliche Kompressionskältema- Wird der Kolben jedoch hin- und herbewegt, so arschine besteht aus Verdampfer, Kondensator und Ver- beitet die Maschine als Kältemaschine oder Wärmedichter sowie wahlweise einer Entspannungsmaschine pumpe, wobei folgende Zustandsänderungen durchlau- oder einem Drosselorgan. Vom umlaufenden Kältemit- fen werden: \

tel wird Wärme bei der unteren Prozeßtemperatur im 60 Wird das Volumen des eingeschlossenen Kältemittels Verdampfer aufgenommen, bei der oberen im Konden- unter Zufuhr von Arbeit verkleinert, so steigen zunächst sator abgegeben. Im Verdichter wird Arbeit zugeführt, der Druck und die Temperatur des Dampfes so lange an, in der Entspannungsmaschine zurückgewonnen. bis die Temperatur der Kondensationsfläche geringfü-

Weil Entspannungsmaschinen für nassen Dampf tech- gig überschritten wird.

nisch aufwendig sind, wird in der Regel ein Drosselor- 65 Dann setzt Kondensation im Kondensator mit Wärgan zur Entspannung verwendet. Die dadurch bedingte meabgabe ein. Bei weiterer Volumenverkleinerung wird Verschlechterung des exergetischen Wirkungsgrades vom System im wesentlichen Wärme nur an die Kon-, wird dabei in Kauf genommen. densationsfläche bei der oberen Prozeßtemperatur ab-