DE69100730T2 - Wärmepumpe. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Wärmepumpensystem mit einem ersten Reaktor, der ein Reaktionsmaterial enthält und eine erste Wärmeübertragungseinrichtung sowie eine zweite Wärmeübertragungseinrichtung zum Übertragen von Wärme zu dem ersten Reaktor hin und von ihm weg aufweist, mit einem zweiten Reaktor für die Aufnahme eines Reaktionsmediums, mit einem Kompressor, mit einer ersten Rohreinrichtung zur Verbindung des ersten Reaktors und des zweiten Reaktors über den Kompressor und ein erstes Ventil und mit einer zweiten Rohreinrichtung zum Verbinden des ersten Reaktors und des zweiten Reaktors über ein zweites Ventil, wobei der erste Reaktor, der zweite Reaktor, der Kompressor und die erste und zweite Rohreinrichtung einen geschlossenen Kreislauf für die Umwälzung des Reaktionsmediums bilden und in einem ersten Schritt das Reaktionsmedium aus dem Reaktionsmaterial in dem ersten Reaktor durch Niedertemperaturwärme seiner ersten Wärmeübertragungseinrichtung verdampft wird, während in einem zweiten Schritt das Reaktionsmedium von dem zweiten Reaktor zu dem Reaktionsmaterial in dem ersten Reaktor geführt wird, wodurch Hochtemperaturwärme erzeugt wird, die auf die zweite Wärmeübertragungseinrichtung des ersten Reaktors übertragen wird.
• Bei einem solchen Wärmepumpensystem, wie es aus der US-A-4 183 734 bekannt ist, sind die Reaktoren mit einem Adsorbens gefüllt, das Kalk, Zeolith oder Silicagel sein kann. Die adsorbierbare Komponente ist gewöhnlich Wasser. Die adsorbierbare Komponente wird aus dem ersten Bett des reversierbaren Adsorbens, das vorher von der adsorbierbaren Komponente getrennt wurde, desorbiert. Die erforderliche Wärme wird zu dem Bett aus einem Niedertemperaturspeicher in Wärmeaustauschbeziehung mit dem Bett des Adsorbens übertragen. Die adsorbierbare Komponente wird dann auf einem zweiten Bett des reversierbaren Adsorbens adsorbiert. Die freigesetzte Wärme wird zu einem Hochtemperaturspeicher in wärmeaustauschbeziehung mit dem Bett übertragen. Damit das System kontinuierlich arbeitet, wird der Betriebsmodus des ersten und zweiten Bettes des reversierbaren Adsorbens periodisch umgeschaltet. Ein solches Wärmepumpensystem ist in seinem Aufbau kompliziert und berücksichtigt die Wärmerückgewinnung bei der Regeneration des Reaktionsmaterials und eine wirksame Nutzung der Wärme nicht, so daß der Hochtemperaturanstieg ungenügend sein kann.
• Die EP O 216 237 A2 beschreibt eine Speichervorrichtung mit einem Feststoffadsorbens in einem ersten Behälter, in den ein Wärmeaustauscher für ein Wärmeaustauschmedium abdichtend eingeführt ist. Weiterhin ist ein zweiter Behälter vorgesehen, in welchem ein weiterer Wärmeaustauscher abdichtend angebracht ist und der durch eine Rohreinrichtung mit dem ersten Behälter für den Transport eines Reaktionsmediums verbunden ist, welches in dem Adsorbens des ersten Behälters adsorbiert oder daraus desorbiert werden kann. Der zweite Behälter kann als Verdampfer oder als Kondensator betrieben werden.
• Es ist das Ziel der Erfindung, ein wärmepumpensystem mit einem vereinfachten Aufbau zu schaffen, welches ein gleichförmiges und ausreichendes Erhitzen der flüssigen Phase und der Gasphase des Reaktionsmediums in dem zweiten Reaktor ermöglicht.
• Dieses Ziel wird dadurch erreicht, daß der zweite Reaktor ein Speicher ist, in welchem das Reaktionsmedium, das in dem ersten Schritt in dem ersten Reaktor verdampft worden ist, kondensiert und gesammelt wird und in dem zweiten Schritt verdampft wird, damit es zu dem Reaktionsmaterial in dem ersten Reaktor zur Erzeugung der Hochtemperaturwärme geführt wird, daß die erste Rohreinrichtung mit einem Wärmeaustauscher verbunden ist, der sich in dem Speicher befindet oder sich längs der äußeren Oberfläche des Speichers erstreckt und daß die erste Rohreinrichtung in einen oberen inneren Raum des Speichers mündet.
• Das Wärmepumpensystem gemäß der Erfindung hat einen hohen Wirkungsgrad und deshalb einen Hochtemperaturanstieg, da die Wärmerückgewinnung im Hinblick auf den Stand der Technik verbessert ist. Ferner ist der Aufbau des Wärmepumpensystems verglichen mit dem Stand der Technik vereinfacht.
• Vorzugsweise ist wenigstens ein weiterer erster Reaktor vorgesehen, der durch ein erstes Ventil mit dem Kompressor und durch eine weitere zweite Rohreinrichtung, welche ein weiteres zweites Ventil aufweist, mit dem Speicher verbunden.
• Vorteilhafterweise ist wenigstens ein weiterer erster Reaktor vorgesehen, der durch einen weiteren Kompressor und ein weiteres erstes Ventil mit der ersten Rohreinrichtung und durch eine weitere zweite Rohreinrichtung und ein weiteres zweites Ventil mit dem Speicher verbunden ist, wobei im Betrieb mit Parallelschaltung das erste Ventil und das weitere zweite Ventil offen sind, während das weitere erste Ventil und das zweite Ventil geschlossen sind bzw. das weitere erste Ventil und das zweite Ventil offen sind, während das erste Ventil und das weitere zweite Ventil geschlossen sind.
• Zweckmäßigerweise ist wenigstens ein weiterer Speicher für einen weiteren geschlossenen Kreislauf vorgesehen, wobei die Speicher miteinander thermisch gekoppelt sind.
• Es ist weiterhin bevorzugt, daß die Wärmeübertragungseinrichtung für eine Wärmespeicherung jeweils einen wärmesammlungsseitigen Wärmeaustauscher aufweist, daß die Wärmeübertragungseinrichtung für eine Wärmeemission jeweils einen wärmeemissionsseitigen Wärmeaustauscher aufweist, daß Rippen vorgesehen sind, wobei ein Teil der Rippen die wärmesammlungsseitigen Wärmeaustauscher der Wärmeübertragungseinrichtung für eine Wärmespeicherung zu einer Einheit zusammenschließt, und daß der Rest der Rippen die wärmeemissionsseitigen Wärmeaustauscher der Wärmeübertragungseinrichtung für eine Wärmeemission zu einer Einheit zusammenschließt.
• Es ist weiterhin zweckmäßig, daß das Wärmepumpensystem Wärmerückgewinnungseinrichtungen zur Rückgewinnung von Überschußwärme, die von einem der ersten Reaktoren erzeugt wird, für einen weiteren ersten Reaktor aufweist, in welchem die Regenerierung eingeleitet wird, wobei der eine erste Reaktor die Reaktion zwischen dem Reaktionsmaterial und dem Reaktionsmedium abgeschlossen hat.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung steigen die Temperatur und der Druck des aus dem Reaktionsmaterial in Regeneration erzeugten Gases durch den Kompressor stark an, wobei das Gas dann in dem Speicher ohne merkbaren Verlust gespeichert wird. Andererseits erreicht das Reaktionsmedium, dessen Temperatur und Druck in dem Speicher hoch geworden sind, den Reaktionsmaterialteil in dem Reaktor, wo das Reaktionsmedium mit dem Reaktionsmaterial reagiert, um Wärme mit einer hohen Temperatur zu erzeugen. Dadurch ist die Wärmepumpe der vorliegenden Erfindung in der Lage, einen hohen Temperaturanstieg und einen hohen Wirkungsgrad verglichen mit dem Stand der Technik bereitzustellen.
• Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen
• Fig. 1 ein Schaltbild einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
• Fig. 2 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
• Fig. 3 ein Schaltbild einer modifizierten Ausführungsform der Wärmepumpe von Fig. 2,
• Fig. 4 bis 7 Schaltbilder, welche zeigen, wie die Wärmepumpe von Fig. 3 arbeitet,
• Fig. 8 bis 11 Schaltbilder, die darstellen, wie eine modifizierte Ausführungsform der Wärmepumpe von Fig. 3 arbeitet,
• Fig. 12 ein Schaltbild einer modifizierten Ausführungsform der Wärmepumpe von Fig. 2,
• Fig. 13 ein Schaltbild einer modifizierten Ausführungsform der Wärmepumpe von Fig. 12 und
• Fig. 14 ein Schaltbild einer modifizierten Ausführungsform der Wärmepumpe von Fig. 13 sind.
• Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird im folgenden eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Zur Bildung eines geschlossenen Kreislaufs, wie er in Fig. 1 gezeigt ist, sind ein Speicher 1 und ein Reaktor 5 durch wärmespeicherrohre 17 und 19 und Wärmeabstrahlungsrohre 13 und 20 miteinander verbunden. Der Speicher 1 enthält ein Reaktionsmedium 2, wie Wasser, während der Reaktor ein Reaktionsmaterial 7, wie Kalk, Zeolith und Silicagel enthält. Der Speicher 1 ist ein Hochtemperatur-Wärmeakkumulator. Wesentlich ist, daß das Reaktionsmedium 2 eine Substanz ist, die in dem Speicher 1 infolge ihrer Phasenänderung innerhalb des Betriebstemperaturbereichs verflüssigt wird. Aus diesem Grund wird vorzugsweise Wasser als Reaktionsmedium 2 verwendet, während Kalk, zeolith und Silicagel, die durch Reagieren mit Wasser eine hohe Temperatur erhalten, als Reaktionsmaterial 7 eingesetzt werden können. Eine thermische Isolierung um den Speicher 1 herum wird bevorzugt. Das wärmespeicherrohr 17 ist mit einem Kompressor 3 und einem Ventil 9 versehen. In dem Wärmeabstrahlrohr 13 ist ein Ventil 11 angeordnet. Der Reaktor 5 hat eine Wärmeübertragungseinheit 100e für die Wärmeabstrahlung oder -emission und eine Wärmeübertragungseinheit 100f für die Wärmespeicherung. Die Wärmeübertragungseinheit 100e hat einen reaktorseitigen Wärmeaustauscher 25, einen wärmeabstrahlungs oder wärmeemissionsseitigen Wärmeaustauscher 29 und eine Pumpe 21, die durch eine Leitung zur Bildung eines geschlossenen Kreiskanals verbunden sind. In der Wärmeübertragungseinheit 100f sind ein reaktorseitiger Wärmeaustauscher 26, ein wärmesammlungsseitiger Wärmeaustauscher 30 und eine Pumpe 22 zur Bildung eines weiteren geschlossenen Kreiskanals verbunden. In diesen geschlossenen Systemen befindet sich abgedichtet ein Wärmemedium, beispielsweise Öl und Wasser.
• Der geschlossene Kreislauf arbeitet folgendermaßen: In der Atmosphäre enthaltene Wärme, Abwärme und Solarwärme werden durch Aktivierung der Pumpe 22 der Wärmeübertragungseinheit 100f für die Wärmespeicherung gesammelt, wodurch das Reaktionsmaterial 7 in dem Reaktor 5 erhitzt wird. Dieses Erhitzen führt dazu, daß das Reaktionsmedium 2 von dem Reaktionsmaterial 7 abgetrennt wird. Dann wird der Kompressor 3 in Betrieb genommen und das Ventil 9 geöffnet, so daß Gas des Reaktionsmediums 2, welches in dem Reaktor 5 erzeugt wird, zum Speicher 1 für den Druckaufbau transportiert wird. Das Reaktionsmedium 2, das in dem Speicher 1 unter Druck gesetzt wird, wird bei einer hohen Temperatur und einem hohen Druck verflüssigt. Der Speicher 1 ist ein Hochtemperaturwärmeakkumulator.
• Durch eine solche Arbeitsweise wird das Reaktionsmaterial 7 in dem Reaktor 5 regeneriert, während verflüssigtes Reaktionsmedium 2 mit hoher Temperatur und hohem Druck in dem Behälter 1 gespeichert wird. Daraufhin wird zu einem geeigneten Zeitpunkt das Ventil 9 geschlossen, der Kornpressor 3 angehalten und das Ventil 11 geöffnet. Diese Operationen führen dazu, daß das Reaktionsmedium 2 in dem Speicher 1 verdampft wird. Der erzeugte Dampf wird zu dem Reaktionsmaterial 7 in dem Reaktor 5 über das Wärmeabstrahlrohr 13 geführt. Als Folge erzeugt das Reaktionsmaterial 7 Wärme und erreicht eine Temperatur, die viel höher ist als die des Reaktionsmediums 2. Auf diese Weise erhält die Wärme, die durch den wärmesammlungsseitigen Wärmeaustauscher 30 bereitgestellt wird, in dem Kompressor 3 eine hohe Temperatur und wird dann in dem Speicher 1 gespeichert. Aus dem Speicher 1 wird dann Wärme über das Wärmeabstrahlrohr 13 in das Reaktionsmaterial 7 eingeführt, wo es eine sehr hohe Temperatur erreicht. Die Wärmepumpe ermöglicht so das Abführen von Wärme mit sehr hoher Temperatur aus der Wärmeübertragungseinheit 100e für die Wärmeabstrahlung.
• Die Wärmepumpe wird im wesentlichen wie beschrieben betrieben, bevorzugt ist jedoch, daß eine Vielzahl von geschlossenen Kreisläufen (in Fig. 1 zwei) in Kombination verwendet werden, um die Vorgänge der Wärmespeicherung und Wärmeabstrahlung gleichmäßig auszuführen. In Fig. 1 hat der zweite geschlossene Kreislauf einen Reaktor 6, der ein Reaktionsmaterial 8 enthält. Der Reaktor 6 und der Speicher 1 sind parallel zu dem ersten geschlossenen Kreislauf über ein Wärmespeicherrohr 18 und ein Wärmeabstrahlrohr 14 geschaltet. Das Wärmespeicherrohr 18 ist mit einem Kompressor 4 und einem Ventil 10, das Wärmeabstrahlrohr 14 mit einem Ventil 12 versehen. Mit dem zweiten Reaktor 6 sind, wie gezeigt, eine Wärmeübertragungseinheit 100h für die Wärmespeicherung und eine Wärmeübertragungseinheit 100g für die Wärmeabstrahlung oder -emission verbunden.
• Die Wärmeübertragungseinheit 100g hat einen reaktorseitigen Wärmeaustauscher 27, einen wärmeabstrahlungs- oder wärmeemissionsseitigen Wärmeaustauscher 31 und eine Pumpe 23, die über eine Leitung zur Bildung eines geschlossenen Kreiskanals verbunden sind.
• In der Wärmeübertragungseinheit 100h sind ein reaktorseitiger Wärmeaustauscher 28, ein wärmesammlungsseitiger Wärmeaustauscher 32 und eine Pumpe 24 zur Bildung eines weiteren geschlossenen Kreiskanals miteinander verbunden.
• Prinzipiell werden der erste und der zweite geschlossene Kreislauf alternierend betrieben. Dies erleichtert die Einstellung der Temperatur und des Drucks für den Speicher 1, verhindert einen Überlastbetrieb der Kompressoren 3 und 4 und senkt deren Störungsfälle. Bei dem alternativen Betrieb der Kreisläufe kann die Einstellung der Temperatur und des Drucks im Speicher 1 durch die Drehzahl des Kompressors 3 und den Öffnungsgrad der Ventile 9 und 12 oder die Drehzahl des Kompressors 4 und den Öffnungsgrad der Ventile 10 und 11 erreicht werden.
• Im Parallelverbindungsbetrieb des ersten und zweiten Kreislaufs fließt Wärme durch die Wärmeübertragungseinheit 100f für die Wärmespeicherung, den Reaktor 5, den Kompressor 3, den Speicher 1, das Ventil 12, den Reaktor 6 und die Wärmeübertragungseinheit 100g für die Wärmeabstrahlung in dem ersten Kreis, während in dem zweiten Kreis die Wärme durch die Wärmeübertragungseinheit 100h für die Wärmespeicherung, den Reaktor 6, den Kompressor 4, den Speicher 1, das Ventil 11, den Reaktor 5 und die Wärmeübertragungseinheit 100e für die Wärmeabstrahlung fließt.
• Bei der Wärmepumpe von Fig. 1 ist das Wärmespeicherrohr 19 so angeordnet, daß es durch den Speicher 1 von dessen Boden aus, wie gezeigt, hindurchgeht und mit einem Wärmeaustauscher 15 in Verbindung steht, der in dem Speicher 1 vorgesehen ist. Aus einer oberen Wand des Speichers 1 steht ein Auslaßrohr 16 des Rohrs 19 vor, das dann an seinem distalen Ende mit dem Innenraum des Speichers 1 durch die obere Wand in Verbindung steht. Auf diese Weise ist es möglich, die Flüssigkeit und das Gas des Reaktionsmediums 2, das in dem Behälter 1 enthalten ist, gleichförmig und ausreichend zu erhitzen. Das Rohr 19 kann durch eine Seitenwand des Speichers 1 hindurchgehen.
• Die Wärmepumpe, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, ist zusätzlich zu dem ersten und zweiten Kreislauf mit einem dritten Kreislauf versehen. Der dritte Kreislauf wird von dem Speicher 1, einem Wärmeabstrahlrohr 60 mit einem Ventil 61, einem ein Reaktionsmaterial 57 enthaltenden Reaktor 50, einem Wärmespeicherrohr 59 mit einem Ventil 58, einem Wärmespeicherrohr 38 mit dem Kompressor 3 und dem Wärmeaustauscher 15 und dem Auslaßrohr 16 gebildet. Der Reaktor 50 des dritten Kreislaufs hat eine Wärmeübertragungseinheit 100j für Wärmespeicherung und eine Wärmeübertragungseinheit 100i für Wärmeabstrahlung, wie gezeigt.
• Die Wärmeübertragungseinheit 100i hat einen reaktorseitigen Wärmeaustauscher 53, einen wärmeabstrahlungsseitigen Wärmeaustauscher 55 und eine Pumpe 51, die durch Leitungen zur Bildung eines geschlossenen Kreiskanals verbunden sind.
• In der Wärmeübertragungseinheit 100j sind ein reaktorseitiger Wärmeaustauscher 54, ein wärmesammlungsseitiger Wärmeaustauscher 56 und eine Pumpe 52 zur Bildung eines weiteren geschlossenen Kreiskanals verbunden.
• Bei dieser Modifizierung ist ein einziger Kompressor 3 vorgesehen, während drei Kreisläufe durch Ventile 9, 10 und 58 geschaltet werden. Das heißt, daß der Kompressor 3 die ganze Zeit betrieben wird. Der Wärmeaustauscher 15, der mit dem Wärmespeicherrohr 38 verbunden ist, ist so angeordnet, daß er sich längs der äußeren Oberflächen (Seiten- und Bodenflächen) des Speichers 1 erstreckt, so daß das Reaktionsmedium 2 in dem Speicher l durch die Wände des Speichers 1 hindurch erhitzt werden kann. Die drei Kreisläufe können auf drei verschiedene Arten betrieben werden. Wenn beispielsweise der Reaktor 5 des ersten Kreislaufs sich im Wärmespeicher-(Regenerations-) Modus befindet, sind der Reaktor 6 des zweiten Kreislaufs und der Reaktor 50 des dritten Kreislaufs in dem Wärmeabstrahlungsmodus bzw. in Ruhe. Alternativ können sich zwei der Kreisläufe in ihrem Arbeitsmodus für eine begrenzte Zeit überlappen. So kann insbesondere, wenn sich der erste und der zweite Kreislauf im Wärmespeicher-(Regenerations-)Modus bzw. Wärmeabstrahlungsmodus befinden, der dritte Kreislauf während der ersten Hälfte zur Wärmespeicherung (Regeneration) und während der zweiten Hälfte zur Wärmeabstrahlung betrieben werden.
• Fig. 3 zeigt noch eine weitere modifizierte Ausführungsform der Wärmepumpe von Fig. 2, bei welcher ein vierter Kreislauf zusätzlich zum ersten, zweiten und dritten Kreislauf vorgesehen ist. Der vierte Kreislauf umfaßt den Speicher 1, ein Wärmeabstrahlrohr 80 mit einem Ventil 81, einen Reaktor 70, der Reaktionsmaterial 77 enthält, ein Wärmespeicherrohr 79 mit einem Ventil 78, das Wärmespeicherrohr 38 mit dem Kompressor 3, den Wärmeaustauscher 15 und ein Auslaßrohr 16-a. Der Reaktor 70 hat eine Wärmeübertragungseinheit 100l für Wärmespeicherung und eine Wärmeübertragungseinheit 100k für Wärmeabstrahlung, die, wie gezeigt, daran angeordnet sind. Die Wärmeübertragungseinheit 100k hat einen reaktorseitigen Wärmeaustauscher 73, einen wärmeabstrahlungsseitigen Wärmeaustauscher 75 und eine Pumpe 71, die miteinander durch Leitungen zur Bildung eines geschlossenen Kreiskanals verbunden sind.
• In der Wärmeübertragungseinheit 100j sind ein reaktorseitiger Wärmeaustauscher 74, ein wärmesammlungsseitiger Wärmeaustauscher 76 und eine Pumpe 72 zur Bildung eines weiteren geschlossenen Kreiskanals miteinander verbunden.
• Bei dieser modifizierten Wärmepumpe mündet das Auslaßrohr 16-a, das sich von dem Wärmeaustauscher 15 aus erstreckt, in einen oberen Raum in dem Speicher 1, ohne durch die obere Wand des letzteren hindurchzugehen.
• Fig. 4 bis 7 zeigen, wie die vier Kreisläufe von Fig. 4 arbeiten, und insbesondere die Betriebsweisen der Reaktoren 5, 6, 50 und 70 der vier Xreisläufe. In den Figuren bezeichnet A einen Reaktor in einer Reaktionsphase, B eine Phase, in welcher die Reaktion abgeschlossen ist und Abwärme vorliegt, C eine Wärmespeicher-(Regenerations-) Phase und D eine Regenerations-Endphase. Einer der wesentlichen Punkte zur Wirkungsgradverbesserung einer Wärmepumpe mit chemischer Wärmespeicherung, welche die Reaktionswärme ausnutzt, besteht darin, Abwärme wirksam zu nutzen, wenn Abwärme in der Reaktions-Endphase B vorhanden ist. Bei dieser modifizierten Wärmepumpe wird der Wirkungsgrad dadurch erhöht, daß diese Abwärme in dem Reaktor in einer Regenerationsanlaufphase oder der Regenerationsphase C wiedergewonnen wird. Um die Abwärme wiederzugewinnen, sind die Wärmeübertragungseinheiten 100m, 100n, 100p und 100g, welche die vier Reaktoren 5, 6, 50 und 70 thermisch miteinander verbinden, in der gezeigten Weise angeordnet. Jede der Wärmeübertragungseinheiten hat zwei Wärmeaustauscher und eine Pumpe. In Fig. 4 befindet sich der Reaktor 50 in der Reaktionsphase A. Die Wärmeübertragungseinheit 100i arbeitet im Wärmeabstrahlungsbetrieb. Der Reaktor 5 befindet sich in der Regenerationsphase C, während die Wärmeübertragungseinheit 100f Wärme von einer Wärmequelle 33 zu dem Reaktor 5 überträgt. Der Reaktor 6 befindet sich in der Regenerations-Endphase, in welcher die Wärmeübertragungseinheit 100m zwischen den Reaktoren 5 und 6 sich im Wärmeübertragungsmodus befindet, um Abwärme des Reaktors 6 für den Reaktor 5 wiederzugewinnen. In Fig. 4 bis 7 stellen Kreise Pumpen dar, leere Kreise sind Pumpen im Ruhezustand, ausgefüllte Kreise sind Pumpen im Betrieb. Der Betriebsmodus jedes Reaktors 5, 6, 50, 70 ändert sich mit dem Zeitablauf. In Fig. 5 befindet sich der Reaktor 70 im Reaktionsmodus. In Fig. 6 befindet sich der Reaktor 5 im Reaktionsmodus. In Fig. 7 befindet sich der Reaktor 6 im Reaktionsmodus.
• Fig. 8 bis 11 zeigen eine modifizierte Ausführungsform der vier Kreisläufe von Fig. 4 bis 7. Bei dieser modifizierten Ausführungsform werden Gebläse 101, 102, 103 und 104 für eine Wärmeübertragung durch Luftzwangskonvektion anstelle der Wärmeübertragungseinheiten 100m, 100n, 100p und 100g zur Wärmerückgewinnung verwendet. Die Wärmeübertragung zwischen den Reaktoren kann über äußere Oberflächen der Reaktoren 5, 6, 50 und 70 oder durch Einführen der von einem Gebläse kommenden Luft in Rohre erreicht werden, die so angeordnet sind, daß sie durch die Wände des Reaktors gehen. Bei dieser modifizierten Wärmepumpe ist um die Wärmequelle 33 eine Abdeckung 90 vorgesehen, die in der Draufsicht Halbkreisform hat, so daß sie seitwärts offen ist. Durch Drehen der Abdeckung 90 wird, wie gezeigt, Heißluft von der Wärmequelle 33 gegen den Reaktor im Regenerationsmodus C gebiasen.
• Eine weitere modifizierte Wärmepumpe ist in Fig. l2 dargestellt. Bei der modifizierten Wärmepumpe ist der Speicher in zwei Speicher 1 und 1-a unterteilt, welche durch eine Wand 39 in thermischem Kontakt stehen. Die Wärmeübertragung zwischen einem Reaktionsmedium 2 in dem Speicher 1 und einem Reaktionsmedium 2-a in dem Speicher 1-a erfolgt durch die Wand 39. Der erste und der zweite Kreislauf dieser Modifizierung sind prinzipiell unabhängig voneinander, so daß der Betrieb der Wärmepumpe dadurch stabilisiert wird.
• Der erste Kreislauf umfaßt den Speicher 1, das Wärmeabstrahlrohr 13 mit dem Ventil 11, den Reaktor 5, das Wärmespeicherrohr 17 mit dem Ventil 9, das Wärmespeicherrohr 38 mit dem Kompressor 3 und ein Wärmespeicherrohr 36 mit einem Ventil 34.
• Der zweite Kreislauf umfaßt den Speicher 1-a, das Wärmeabstrahlungsrohr 14 mit dem Ventil 12, den Reaktor 6, das Wärmespeicherrohr 18 mit dem Ventil 10, das Wärmespeicherrohr 38 mit dem Kompressor 3, der auch zum ersten Kreislauf gehört, und ein Wärmespeicherrohr 37 mit einem Ventil 35.
• Der Speicher 1-a kann in dem Speicher 1 angeordnet sein, die Anordnung kann auch umgekehrt sein. In diesem Fall haben der Speicher 1 oder 1-a die Form eines Rohrschlangenwärmeaustauschers. Wenn mehr als zwei Kreisläufe kombiniert sind, können mehr als zwei Speicher in thermischem Kontakt miteinander angeordnet werden.
• Fig. 13 zeigt eine Modifikation der Wärmepumpe von Fig. 12. Bei dieser modifizierten Wärmepumpe sind die Speicher 1 und 1-a getrennt und thermisch durch eine Wärmeübertragungseinheit 100S kombiniert, welche einen Wärmeaustauscher 41, eine Pumpe 40 und einen Wärmeaustauscher 42 hat. Die übertragene Wärmemenge vom Reaktionsmedium 2 im Speicher 1 auf das Reaktionsmedium 2-a des Speichers 1-a oder in umgekehrter Richtung kann dadurch eingestellt werden, daß der Betriebsfaktor der Pumpe 40 geändert wird. Dies ermöglicht eine Einstellung des Innendrucks für den Speicher 1 oder den Speicher 1-a.
• Wenn die Wärmeübertragungseinheit 100S mit einem Wärmespeicherbehälter versehen ist, wird die Einstellung des Innendrucks des Speichers 1 oder des Speichers 1-a weiter vereinfacht. Der Wärmespeicherbehälter kann in der Wärmeübertragungseinheit 100S oder in einem Bypass-Kreis angeordnet werden, der von einem Ventil geschaltet ist, das in der Wärmeübertragungseinheit 100S vorgesehen ist. In der Wärmepumpe von Fig. 13 sind Heizeinrichtungen 43 und 44 in dem Speicher 1 bzw. in dem Speicher 1-a vorgesehen. Die Eingänge in die Heizeinrichtungen 43 und 44 können dadurch eingestellt werden, daß der Innendruck und die Innentemperatur des Speichers 1 oder des Speichers 1-a festgestellt werden. Dies erleichtert ebenfalls die Einstellung des Innendrucks und der Temperatur des Speichers 1 oder des Speichers 1-a. Die Heizeinrichtungen 43 und 44 können durch Wärmeaustauscher ersetzt werden, die mit kaltem Wasser (oder kalter Luft) oder heißem Wasser (oder heißer Luft) gespeist werden. Diese Wärmeaustauscher machen eine solche Einstellung viel leichter. Außerhalb eines jeden Wärmeaustauschers kann ein Wärmespeicherbehälter vorgesehen werden, um Überschußwärme der Speicher 1 oder 1-a zu speichern. Mit einem solchen Wärmespeicherbehälter läßt sich die Einstellung des Innendrucks und der Temperatur des Speichers 1 oder 1-a ebenfalls einfach bewerkstelligen. Als Wärmespeicherbehälter kann ein geeigneter Behälter in Wärmespeicherbauweise, ein Behälter in Latentwärmespeicherbauweise und ein Behälter in chemischer Wärmespeicherbauweise eingesetzt werden. Den Wärmeaustauschern kann Wärme mit hoher oder niedriger Temperatur durch eine weitere Wärmepumpe zugeführt werden.
• Fig. 14 zeigt eine modifizierte Ausführungsform der Wärmepumpe von Fig. 13. In der modifizierten Ausführung sind der wärmeabstrahlungsseitige Wärmeaustauscher 29 des Reaktors 5 und der abstrahlungsseitige Wärmeaustauscher 32 des Reaktors 6 durch Rippen 91 zu einer Einheit zusammengeschlossen, während der wärmesammlungsseitige Wärmeaustauscher 30 des Reaktors 5 und der wärmesammlungsseitige Wärmeaustauscher 31 des Reaktors 6 ebenfalls durch Rippen 90 in einem Stück ausgebildet sind. Bei einer solchen Bauweise läßt sich die Wärmepumpe insgesamt klein bemessen.
• Bei der vorliegenden Erfindung kann eine den Wärmestrom steuernde Wärmeübertragungseinheit für die Wärmeübertragungseinheiten 100e, 100f, 100g, 100h, 100i, 100j, 100k, 100l, 100m, 100n, 100p, 100g und 100s eingesetzt werden, wie es in den geprüften japanischen Patentveröffentlichungen Nr. 58-53277, 60-37390 usw. geoffenbart ist. Wärme mit hoher Temperatur, die von anderen Wärmepumpen gesammelt wurde, kann in Wärmesammlungs-Wärmeaustauschern der Wärmeübertragungseinheiten 100f, 100h, 100j und 100l für die Wärmespeicherung zugeführt werden.
• Die erfindungsgemäßen Wärmepumpen ermöglichen eine Temperaturerhöhung, die zweimal größer als bei herkömmlichen Wärmepumpen ist und verglichen damit einen um 20 % höheren Wärmewirkungsgrad haben. Die Druckeinstellung in den Speichern ist gemäß der vorliegenden Erfindung durch die Parallelkombination der Kreisläufe der Wärmepumpen gleichmäßig erreichbar, so daß mit der vorliegenden Erfindung der zyklische Betrieb der Wärmepumpen stabilisiert werden kann.

Claims (6)

1. Wärmepumpensystem

- mit einem ersten Reaktor (5), der ein Reaktionsmaterial (7) enthält und eine erste Wärmeübertragungseinrichtung (100f) sowie eine zweite Wärmeübertragungseinrichtung (100e) zum Übertragen von Wärme zu und von dem ersten Reaktor (5) aufweist,

- mit einem zweiten Reaktor (1) für die Aufnahme eines Reaktionsmediums (2),

- mit einem Kompressor (3),

- mit einer ersten Rohreinrichtung (17, 19) zur Verbindung des ersten Reaktors (5) und des zweiten Reaktors (1) über den Kompressor (3) und ein erstes Ventil (9) und

- mit einer zweiten Rohreinrichtung (13) zum Verbinden des ersten Reaktors (5) und des zweiten Reaktors (1) über ein zweites Ventil (11),

- wobei der erste Reaktor (5), der zweite Reaktor (1), der Kompressor (3) und die erste und zweite Rohreinrichtung (17, 19, 13) einen geschlossenen Kreislauf für die Umwälzung des Reaktionsmediums (2) bilden und

- wobei in einem ersten Schritt das Reaktionsmedium (2) aus dem Reaktionsmaterial (7) in dem ersten Reaktor (5) durch Niedertemperaturwärme seiner ersten Wärmeübertragungseinrichtung (100f) verdampft wird,

- während in einem zweiten Schritt das Reaktionsmedium (2) von dem zweiten Reaktor (1) zu dem Reaktionsmaterial (7) in dem ersten Reaktor (5) geführt wird, wodurch Hochtemperaturwärme erzeugt wird, die auf die zweite Wärmeübertragungseinrichtung (100e) des ersten Reaktors (5) übertragen wird,

dadurch gekennzeichnet,

- daß der zweite Reaktor ein Speicher (1) ist, in welchem das Reaktionsmedium (2), das in dem ersten Schritt in dem ersten Reaktor (5) verdampft wird, kondensiert und gesammelt wird und in dem zweiten Schritt verdampft wird, damit es zu dem Reaktionsmaterial (7) in dem ersten Reaktor (5) zur Erzeugung der Hochtemperaturwärme geführt wird,

- daß die erste Rohreinrichtung (17, 19) mit einem Wärmeaustauscher (15) verbunden ist, der sich in dem Speicher (1) befindet oder sich längs der äußeren Oberflächen des Speichers (1) erstreckt, und

- daß die erste Rohreinrichtung (17, 19) in einen oberen inneren Raum des Speichers (1) mündet.

2. Wärmepumpensystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch wenigstens einen weiteren ersten Reaktor (6, 50, 70), der durch ein erstes Ventil (10, 58, 78) mit dem Kompressor (3) und durch eine weitere zweite Rohreinrichtung (14, 60, 80), welche ein weiteres zweites Ventil (12, 61, 81) aufweist, mit dem Speicher (1) verbunden ist.

3. Wärmepumpensystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch wenigstens einen weiteren ersten Reaktor (6), der durch einen weiteren Kompressor (4) und ein weiteres erstes Ventil (10) mit der ersten Rohreinrichtung (17, 19) und durch eine weitere zweite Rohreinrichtung (14) und ein weiteres zweites Ventil (12) mit dem Speicher (1) verbunden ist, wobei im Betrieb mit Parallelschaltung das erste Ventil (9) und das weitere zweite Ventil (14) offen sind, während das weitere erste Ventil (10) und das zweite Ventil (11) geschlossen sind, bzw. das weitere erste Ventil (10) und das zweite Ventil (11) offen sind, während das erste Ventil (19) und das weitere zweite Ventil (14) geschlossen sind.

4. Wärmepumpensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens einen weiteren Speicher (1, 1a) für einen weiteren geschlossenen Kreislauf, wobei die Speicher (1, 1a) miteinander thermisch gekoppelt sind.

5. Wärmepumpensystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

- daß die erste Wärmeübertragungseinrichtung (100f, 100h) für eine Wärmespeicherung jeweils einen wärmesammelseitigen Wärmeaustauscher (30, 31) aufweist,

- daß die zweite Wärmeübertragungseinrichtung (100e, 100g) für eine Wärmeemission jeweils einen wärmeemissionsseitigen Wärmeaustauscher (29, 32) aufweist,

- daß Rippen (90, 91) vorgesehen sind, wobei ein Teil (90) der Rippen die wärmesammelseitigen Wärmeaustauscher (30, 31) der Wärmeübertragungseinrichtung (100f, 100h) für eine Wärmespeicherung zu einer Einheit zusammenschließt, und

- daß der Rest (91) der Rippen die wärmeemissionsseitigen Wärmeaustauscher (29, 32) der Wärmeübertragungseinrichtung (100e, 100g) für eine Wärmeemission zu einer Einheit zusammenschließt.

6. Wärmepumpensystem nach einem der Ansprüche 2 bis 5, gekennzeichnet durch Wärmerückgewinnungseinrichtungen (100m, 100n, 100p, 100q; 101, 102 103, 104) zur Rückgewinnung von Überschußwärme, die in einem der ersten Reaktoren (5, 6; 50, 70) erzeugt wird, für einen weiteren ersten Reaktor, in welchem die Regenerierung eingeleitet wird, wobei der eine erste Reaktor die Reaktion zwischen dem Reaktionsmaterial (7, 8, 57, 77) und dem Reaktionsmedium (2) abgeschlossen hat.