DE69728689T2

DE69728689T2 - Wärmetransportvorrichtung

Info

Publication number: DE69728689T2
Application number: DE69728689T
Authority: DE
Inventors: Hans Sjoeblom; Anders Sjoeblom
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-01-02
Filing date: 1997-10-13
Publication date: 2005-03-17
Anticipated expiration: 2017-10-14
Also published as: AU4642597A; US6220040B1; ATE264487T1; EP0953133B1; SE9700008D0; DE69728689D1; WO1998029701A1; EP0953133A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen eine Wärmetransportvorrichtung, und insbesondere eine solche gemäss der Preambel von Anspruch 1 mit einer verbesserten Effizienz. Eine derartige Vorrichtung ist aus dem Dokument US-A-3 990 264 bekannt.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gegenwärtige kompressorgetriebene Wärmepumpen werden hauptsächlich zum Heizen von z. B. Häusern und heissem Leitungswasser verwendet. Das kennzeichnende Merkmal einer solchen Wärmepumpe ist es, dass im Verdampfer eine Flüssigkeit siedet, wodurch Wärme bei einer niedrigen Temperatur und geringem Druck aufgenommen wird. Der Kompressor pumpt das Gas aus dem Verdampfer in den Kondensator. Im Kondensator wird das Gas zu einer Flüssigkeit kondensiert, wodurch Wärme bei einer hohen Temperatur und hohem Druck freigesetzt wird. Die Flüssigkeit wird über eine Steuerungsvorrichtung in den Verdampfer zurückgeführt, siehe beispielsweise US-A-4 707 996.
Die Effizienz des Kompressors ist jedoch stark von der darin entlang desselben anliegenden Druckdifferenz abhängig, in dem Sinne, dass die Effizienz mit zunehmender Druckdifferenz entlang des Kompressors drastisch abnimmt.
Der Wärmefaktor (F) einer Wärmepumpe ist definiert als das Verhältnis zwischen der durch die Wärmepumpe gelieferten Wärme und der der Wärmepumpe zugeführten Betriebsenergie. Ein normaler jährlicher Durchschnitt dieses Wärmefaktors für einen Kompressionsverdampfungszyklus ist 2–2,5.
Ein Weg zur Erhöhung des Wärmefaktors ist die Absenkung der Druckdifferenz entlang des Kompressors. Das kann erreicht werden unter Verwendung eines Zweikomponenten-Kühlmittels, worin eine Komponente ein Gas umfasst, das durch die andere Komponente, die eine Flüssigkeit umfasst, absorbiert wird.
Ein Verfahren, in dem ein solches Zweikomponenten-Kühlmittel verwendet wird, wird wie folgt betrieben.
Im Desorbator wird Gas aus der Flüssigkeit freigesetzt, wodurch Wärme bei einer niedrigen Temperatur und einem Druck, der der Konzentration im Desorbator entspricht, aufgenommen wird. Das Gas wird durch den Kompressor in den Absorbator abgepumpt, wo es erneut durch die Flüssigkeit absorbiert wird. In diesem Verfahren wird Wärme bei hoher Temperatur und einem Druck, der der Temperatur und der Konzentration im Absorbator entspricht, freigesetzt.
Die Flüssigkeit im Absorbator darf nicht mit Gas gesättigt sein, da dies den Druck im Absorbator übermässig erhöhen würde, was selbstverständlich unerwünscht ist. Ebenfalls darf die Flüssigkeit im Desorbator nicht vom Gas entleert werden, da dies den Druck im Desorbator zu stark verringern würde. Diese beiden Effekte würden bewirken, dass die Druckdifferenz entlang des Kompressors zunimmt. Damit dies nicht passiert, wird Flüssigkeit mittels einer Flüssigkeitspumpe vom Desorbator in den Absorbator über einen Gegenstrom-Wärmeaustauscher abgepumpt. Damit verhindert wird, dass die gesamte Flüssigkeit im Absorbator angesammelt wird, wird Flüssigkeit über den Wärmeaustauscher und eine Rückhaltevorrichtung über den Absorbator zum Desorbator abgezogen. Dies ist ein vollständig geschlossenes Kreislaufsystem.
Das verwendete Zweikomponenten-Kühlmittel ist Ammoniak-Wasser.
In DE 530 406 wird ein Verfahren zur Erzeugung von Kälte offenbart, das eine Kompressionskühlmaschine umfasst, die mit dem Ammoniak-Wasser-System betrieben wird, worin der Kompressor zur Verringerung von Lärm und zur Erzielung einer verbesserten Kühlung in der Absorptionsflüssigkeit plaziert ist. Ferner befindet sich in der offenbarten Vorrichtung der Kondensator ebenfalls in der Absorptionsflüssigkeit, was angeblich die Betriebsleistung verbessert.
In SU 548 005 ist eine zweistufige Absorptions-Kompressions-Kühleinheit offenbart, worin der Kompressor innerhalb des Kühlgenerators plaziert ist, wodurch die Wirtschaftlichkeit verbessert wird.
Ein Problem der oben diskutierten Vorrichtungen aus dem Stand der Technik und der heutigen kommerziellen Wärmepumpen ist die Wirtschaftlichkeit. Der Carnot-Wirkungsgrad ist weit vom Optimum entfernt und selbst sehr kleine Verbesserungen dieses Wirkungsgrads, beispielsweise 1–3%, erfordern wesentliche Investitionen in Verbesserungen, und die Ausrüstung wäre daher zu teuer, um kommerziell überlebensfähig zu sein.
Ein weiteres technisches Problem des Kühlmittelsystems Ammoniak-Wasser ist dessen korrosive Natur. Elektrische und mechanische Ausrüstungen, wie beispielsweise Pumpen und Kompressoren und damit verbundene Moto ren, sind einer aggressiven Umgebung ausgesetzt, und ihre Betriebslebensdauer kann ungebührlich verkürzt sein.
Ein Nachteil gegenwärtiger Wärmepumpen ist die Notwendigkeit, die Kompressoren zu kühlen. Dies wird normalerweise durch einen Luftfluss erzielt, es passiert jedoch häufig, dass Temperaturen in der Gegend von 100°C und darüber erreicht werden, was zu einem sogenannten Verkoken des Gleitmittels im Kompressor führen kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft daher die Bereitstellung einer Wärmetransportvorrichtung, und insbesondere eines verbesserten Wärmepumpensystems mit erhöhtem Wirkungsgrad, worin die oben genannten Nachteile überwunden sind.
Dies wird erfindungsgemäss erzielt mit einer Wärmetransportvorrichtung wie in Anspruch 1 definiert, unter Verwendung eines Kühlmittels in Form eines Zweikomponentenmediums, das ein Gleitmittel als flüssige Komponente umfasst.
Für den erfindungsgemässen Zweck bedeutet "Gleitmittel" eine beliebige Verbindung, Substanz oder Zusammensetzung, die die erfindungsgemässen Kriterien erfüllt, d. h. die die Fähigkeit zur Absorption eines Gases besitzt und die hinreichend schmierend ist, so dass sie die Schmierung der beweglichen Komponenten im erfindungsgemässen System ermöglicht.
Der Kompressor und die Flüssigkeitspumpe sind in den Desorbator der Vorrichtung integriert.
Vorzugsweise ist auch die Rückhaltevorrichtung in den Desorbator integriert.
Erfindungsgemäss werden die folgenden Vorteile erzielt:
Der Kompressor wird effizient gekühlt, was auch zu einem höheren Kompressorwirkungsgrad und einem höheren Wärmefaktor führt.
Der Vorteil der Verwendung eines Gleitmittels als Komponente in dem Kühlmittel liegt darin, dass das Kühlmittel nicht korrosiv ist.
Durch Schwingungen und Gleitmittelverspritzen wird das Kühlmittel bewegt, was wiederum die Desorption im Desorbator effizienter macht.
Die Wärmepumpe kann in effizienter Weise hergestellt werden, da alle Komponententeile im selben Gehäuse integriert sind (Druckgefäss).
Die Isolierung der Wärmepumpe ist einfach, wodurch Wärmeverluste minimiert werden.
Vorläufige Berechnungen zeigen, dass für ein System dieses Typs ein Wärmefaktor von 2,6–3,5 bei den gleichen Betriebsbedingungen wie bei einem System herkömmlicher Bauweise, wie oben diskutiert, das einen Wärmefaktor von 2–2,5 erzielt, erzielt werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Figuren beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 stellt ein Wärmepumpensystem aus dem Stand der Technik dar;
2 stellt eine Wärmepumpe dar, die nach dem Absorbator-Desorbator-Prinzip funktioniert;
3 stellt ein Wärmepumpensystem dar;
4 stellt eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Wärmepumpensystems dar;
5 stellt eine weitere erfindungsgemässe Ausführungsform dar;
6 ist eine schematische darstellt des Steuerungssystems für den Betrieb des erfindungsgemässen Wärmepumpensystems;
7 zeigt einen Testlauf mit einer erfindungsgemässen Vorrichtung;
8 ist ein Graph, in dem der Druck und die Temperatur im Absorbator und Desorbator gegen die Zeit aufgetragen ist;
9 ist ein Graph, der die berechnete Druckverringerung entlang des Kompressors darstellt; und
10 stellt eine erfindungsgemässe Vorrichtung im Kombinationsmodus dar.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
In der folgenden Beschreibung verschiedener erfindungsgemässer Ausführungsformen werden gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
1 stellt eine herkömmliche Wärmepumpe dar, die einen Verdampfer (101) und einen Kondensator (102), einen Kompressor (103), der Dampf bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck zu einem höheren Druck und einer Temperatur, bei der Wärme freigesetzt wird, pumpt, und ein Expansionsventil (104) zur Rückführung der Flüssigkeit in den Verdampfer umfasst.
2 stellt ein Wärmepumpensystem unter Verwendung eines Zweikomponenten-Kühlmittels dar. Es umfasst einen Desorbator (202), einen Absorbator (204), einen Kompressor (206), der den Desorbator (202) über eine Leitung (208) mit dem Absorbator (204) verbindet. Innerhalb des Absorbators endet die Leitung im Gasauslass (210), der in der flüssigen Phase (203'') befindlich ist. Das System umfasst ferner eine Flüssigkeitspumpe (212), die die Flüssigkeit (203') vom Desorbator (202) über eine Leitung (214) unter Hindurchleitung durch einen Gegenstrom-Wärmeaustauscher (216) abpumpt, und die Flüssigkeit in die Gasphase (205'') des Absorbators (204) über den Auslass (218) ausstösst. Dieser Flüssigkeitstransport ist notwendig zum Ausgleich der relativen Konzentrationen in der flüssigen Phase (203'') und der Gasphase (205'') innerhalb des Absorbators (204).
Eine Rückführleitung (220) transportiert Flüssigkeit (203'') aus dem Absorbator (204) durch den Gegenstrom-Wärmeaustauscher (216) über eine Rückhaltevorrichtung (222) und eine Auslassvorrichtung (224) in die Gasphase (205') des Desorbators (202).
Wie durch Pfeile gekennzeichnet, wird warme Flüssigkeit für Heizzwecke aus dem Absorbator entzogen, und kalte Flüssigkeit aus der zu heizenden Umgebung wird in den Absorbator eingeführt.
Entsprechend wird Flüssigkeit, die durch die Wärmequelle erwärmt wurde, in den Desorbator eingeführt, und kalte Flüssigkeit wird aus dem Desorbator in die Wärmequelle zurückgeführt.
3 zeigt eine Wärmepumpe.
Mit der in 2 gezeigten Vorrichtung gemeinsame Komponenten werden durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung umfasst die gleichen fünf Hauptkomponenten wie die Vorrichtung gemäss 2, nämlich einen Desorbator (202), einen Absorbator (204), einen Gegenstrom-Wärmeaustauscher (216), einen Kompressor (206) und ein Rückhalteventil (222), z. B. ein Magnetventil, ein Solenoid-Drehventil oder dergleichen. Der wesentliche konstruktive Unterschied im Vergleich zu dem in 2 gezeigten Stand der Technik ist, dass der Kompressor (206) innerhalb des Desorbators (202) befindlich ist. In diesem Fall müssen Vorkehrungen getroffen werden, dass der Kompressoreinlass (307) über eine geeignete Leitung (309) in der Gasphase (205') gehalten wird.
Erfindungsgemäss werden vorzugsweise Düsenvorrichtungen (318) bereitgestellt, die so angebracht sind, dass die Flüssigkeit, die aus der flüssigen Phase des Desorbators abgepumpt wurde, über eine relativ grosse Oberfläche verteilt wird, und damit der Absorptionsprozess weiter verbessert wird, werden Oberflächenvergrösserungsmittel (326) unterhalb der Düsen (318) bereitgestellt. Diese Oberflächenvergrösserungsmittel umfassen Metallblätter, auf denen sich die Flüssigkeit ausbreitet, und dadurch eine grössere Oberfläche aufweist, wodurch die Absorption verstärkt wird. Alternativ dazu können Metallgitterbauteile bereitgestellt werden, auf die die Tröpfchen auftreffen und in noch kleinere Tropfen zerfallen, wodurch der Absorptionsprozess weiter verstärkt wird.
Ferner sind Gasdüsenvorrichtungen (310) am Gasauslass innerhalb der flüssigen Phase im Absorbator zur Förderung des Absorptionsprozesses bereitgestellt. Die Düsenvorrichtungen (310) erzeugen eine grosse Anzahl kleiner Blasen, wodurch die aktive Oberfläche für die Absorption vergrössert wird.
Eine entsprechende Düsenvorrichtung (324) ist zur Förderung der Desorption darin im Desorbator bereitgestellt.
Das Kühlmittel ist eine Zweikomponenten-Gas/Flüssig-Zusammensetzung, worin die flüssige Komponente als Gleitmittel wirkt. Die gegenwärtig verwendete und bevorzugte flüssige Komponente ist Dieseltreibstoff. Ein typischer Dieseltreibstoff ist erhältlich von Svenska Statoil AB, Stockholm, Schweden, und umfasst Kohlenwasserstoffe im Siedepunktbereich von 180–300°C, was C_9-17-Kohlenstoffketten entspricht, 4 Vol.-% aromatischer Kohlenwasserstoffe und < 0,02 Vol.-% polycyclischer Aromaten. Die Viskosität dieses Dieseltreibstoffs beträgt 2,0 mm²/sek bei 40°C. Dieser Dieseltreibstoff enthält ferner einen Zusatzstoff, der die Schmierwirkung des Treibstoffs weiter erhöht. Der Zusatzstoff kann langkettige Polyalkohole, Alkylaminoester, aliphatisches Naphtha oder ähnliche Verbindungen darstellen, die die Schmierwirkung der flüssigen Kohlenwasserstoffe erhöht.
Es werden jedoch andere Arten flüssiger Komponenten des Zweikomponenten-Kühlmittels in Betracht gezogen, und Beispiele geeigneter flüssiger Komponenten sind Schmieröle mit niedriger Viskosität, z. B. CompWay^TM 68, erhältlich von Svenska Statoil AB, Stockholm, Schweden. Es besitzt eine Viskosität von 62,2 mm²/sek bei 40°C, und 8,9 mm²/sek bei 100°C. Andere verwendbare Öle vom selben Hersteller sind Synesstic^TM, FridgeWay^TM und Zerice^TM.
Ebenso sind synthetische Gleitmittel, wie beispielsweise solche auf Basis von Poly-α-olefinen, Polyglykolen, Siliconölen und synthetischen Estern denkbar.
Geeigneterweise liegt die Viskosität einer geeigneten Flüssigkeit bei 1–40 mm²/sek, vorzugsweise 1,5–20 mm²/sek, oder weiter bevorzugt 2–10 mm²/sek bei 40°C.
Die gasförmige Komponente kann beispielsweise Flüssiggas, im wesentlichen Propan, sein. Shell Premium Propan (erhältlich von Shell Corporation) umfasst 96 Gew.-% Propan (C₃H₈), 0% Pentane und höhere, und < 0,5% Olefine C_nH_2n.
Andere mögliche Gase sind Kohlenwasserstoffe mit 1–5 Kohlenstoffatomen, wie beispielsweise Isobutan, und Ether, z. B. Ethylether.
Zusammengefasst ist das wesentliche Kennzeichen des Kühlmittels, dass es eine Flüssigkeit mit Schmiereigenschaften umfassen soll und die Fähigkeit zur Absorption einer gasförmigen Komponente aufweist.
Da der Kompressor (206) wie in 3 gezeigt teilweise eingetaucht ist, findet eine effiziente Schmierung statt. Insbesondere kann die Schmierung dadurch gewährleistet werden, dass die Welle des Kompressors bis in die Flüssigkeit hinabreicht und in einem Rohr eingeschlossen ist. Der verlängerte Wellenabschnitt ist als Schraubenförderer ausgebildet, und folglich wird durch die Drehbewegung der Schraubenwelle Flüssigkeit aufwärts bis zum oberen Ende des Kompressors transportiert, wo das Gleitmittel über die beweglichen Teile verspritzt wird. Dies ist herkömmliche Technologie und dem Fachmann allgemein bekannt und bildet keinen Teil der eigentlichen Erfindung.
In dem Wärmepumpensystem gemäss 3 ist nur der Kompressor (206) in den Desorbator integriert. Die Flüssigkeitspumpe (212) und das Rückhalteventil (222) hingegen sind ausserhalb des Desorbators befindlich. Diese Anordnung fällt nicht in den Umfang der Ansprüche.
Es ist jedoch bevorzugt und innerhalb des erfindungsgemässen Konzepts, alle diese Komponenten in den Desorbator zu integrieren. Dadurch wird das erfindungsgemässe Ziel in noch effizienterer Weise erreicht, nämlich den Wirkungsgrad im Vergleich zu Wärmepumpen aus dem Stand der Technik weiter zu erhöhen. Eine Ausführungsform, in der alle beweglichen Teile, d. h. der Kompressor, die Flüssigkeitspumpe und die Rückhaltevorrichtung in den Desorbator integriert sind, ist in 4 gezeigt.
Folglich sind in dieser Ausführungsform auch die Flüssigkeitspumpe (212) und das Rückhalteventil (222) innerhalb des Desorbators befindlich. Die Flüssigkeitspumpe (212) und der Kompressor (206) sind zumindest teilweise, können jedoch im wesentlichen vollständig in die flüssige Phase (203') innerhalb des Desorbators (202) eingetaucht sein. Auch hier müssen Vorkehrungen getroffen werden, dass der Kompressoreinlass (307) über eine geeignete Leitung (309) in der Gasphase (205') gehalten wird.
Die Funktion der erfindungsgemässen Wärmepumpe wird detaillierter unter Bezugnahme auf die in 4 offenbarte Ausführungsform beschrieben.
Der Kompressor (206) ist teilweise in die flüssige Phase (203') des Desorbators (202) eingetaucht gezeigt. Der Kompressor fördert Gas (205') aus dem Desorbator (202) über eine Leitung (208) in die flüssige Phase (203'') im Absorbator (204). Das Gas wird in der flüssigen Phase (203'') über eine Düsenvorrichtung (310) verteilt, die in der gleichen Weise wie die Gasauslassvorrichtung konstruiert ist, die in bezug auf 2 beschrieben wurde. Die Flüssigkeitspumpe (212) pumpt Flüssigkeit über einen Wärmeaustauscher (216) in den Absorbator (204). Die flüssige Phase (203'') im Absorbator (204) wird über eine geeignete Leitung (220) durch den Wärmeaustauscher und das Rückhalteventil (222) und zurück in die Gasphase (205') des Desorbators (202) geleitet. Die Gasphase (205') im Desorbator wird durch den Kompressor (206) und in die flüssige Phase (203'') des Absorbators gepumpt, worin das Gas durch die Flüssigkeit absorbiert wird, wodurch die Kondensationswärme des Gases und dessen chemische Bindungswärme freigesetzt wird. Damit der Prozess in kontinuierlichem Betrieb gehalten werden kann, wird das im Desorbator freigesetzte Gas durch den Kompressor (206), wie oben festgestellt, in den Absorbator gepumpt. Der Rückfluss angereicherter Flüssigkeit vom Absorbator in den Desorbator wird durch die Druckdifferenz zwischen Absorbator und Desorbator angetrieben. Dieser Fluss wird durch die Rückhaltevorrichtung (222) reguliert, die geeigneterweise ein Magnetventil sein kann. Die Funktion des Wärmeaustauschers (216) ist die thermodynamische Isolierung des Absorbators und des Desorbators voneinander, d. h. es gibt keinen Nettowärmetransport zwischen Aesorbator und Desorbator.
In einer bestimmten Ausführungsform, wie in 5 gezeigt, die eine weitere Entwicklung der Ausführungsform gemäss 4 ist (alle Komponenten sind mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, soweit sie denjenigen aus 4 entsprechen), ist ein hydraulischer Motor (500) bereitgestellt, der vorzugsweise auf der gleichen Welle (502) montiert ist und von dieser angetrieben wird, wie die Hauptflüssigkeitspumpe (212). Der hydraulische Motor (500) fördert Flüssigkeit in eine Leitung (504), die das Rückhalteventil (222) umgeht. Da der Flüssigkeitsfluss aus dem Absorbator durch die Druckdifferenz zwischen Absorbator/Desorbator angetrieben wird, liefert der hydraulische Motor (500) Arbeit an die Pumpe (212), wodurch der Wirkungsgrad des Systems insgesamt weiter erhöht wird. In dieser Ausführungsform wird das Rückhalteventil (222) vorzugsweise als Dämpfungsmittel zur Glättung von Schwankungen der verschiedenen Massenflüsse im System verwendet.
Mit der erfindungsgemässen Wärmepumpe unter Verwendung eines Gleitmittels als Kühlmittel wird die Schmierung der bewegten Teile einfach. Das bedeutet, dass in der Ausrüstung einfachere Komponenten verwendet werden können. Insbesondere wenn der Kompressor und die Pumpen innerhalb des Desorbators integriert sind, wird der Bedarf für druckdichte Durchleitungen für Antriebswellen eliminiert. Ferner ist das Kühlmittel-Gleitmittel inhärent nicht korrosiv im Gegensatz zu anderen Kühlmittelsystemen, wie bei spielsweise Ammoniak-Wasser, und folglich werden elektrische Motoren und andere Metallkomponenten nicht durch die Umgebung, in der sie betrieben werden, verschlechtert.
Auch die Kühlung der beweglichen Teile ist sehr effizient, da die Temperatur innerhalb des Desorbators per Definition niedrig ist, wodurch das Risiko der Verkokung des Gleitmittels eliminiert wird, ein Problem, das regelmässig bei z. B. Kompressoren auftritt, die in Umgebungsbedingungen betrieben werden, unter denen eine angemessene Kühlung schwer zu erzielen ist.
Der Desorbator muss selbstverständlich mit irgendeiner Quelle für die zu pumpende Wärme verbunden sein. Diesbezüglich kann jede herkömmliche Quelle verwendet werden, wie beispielsweise Aussenluft, Grundwärme, Meer- oder Seewasser, Fels in Bohrlöchern usw. Der Fachmann ist in der Lage, die Erfindung ohne erfinderisches Zutun mit jeder geeigneten Quelle zu implementieren.
Die Wärmepumpe kann in Form von zwei getrennten Einheiten auf einem Haus für die Wohnungsheizung montiert werden. Daher kann für die optimale Betriebsleistung der Desorbator ausserhalb und der Absorbator innerhalb des Hauses montiert sein.
6 stellt ein Steuerungssystem dar, das für den Betrieb der erfindungsgemässen Wärmepumpe geeignet ist.
Es umfasst einen Temperatursensor und einen Drucksensor ("Pa" bzw. "°C") in jeweils dem Desorbator bzw. dem Absorbator zur kontinuierlichen Überwachung des Systemstatus. Die Signale aus den Drucksensoren werden an eine Vergleichseinheit abgegeben, der ferner mit einem Wellengenerator verbunden ist, der ein Sägezahn-Wellensignal in die Vergleichseinheit einspeist. Am Ausgang der Vergleichseinheit steht ein digitales Signal, das zur Verarbeitung in einem Computer geeignet ist.
Die Signale aus jedem Temperatursensor und das Ausgangssignal der Vergleichseinheit werden an einen Multiplexer geliefert, der den Computer zur Verarbeitung speist. Als Antwort auf die eingegebenen Temperatur- und Druckdaten liefert der Computer geeignete Befehle, die über den Multiplexer und eine Ausgabeeinheit den Betrieb des Kompressors, der Pumpe bzw. der Rückhaltevorrichtung steuern.
Der Wärmefaktor hängt von sowohl den Absorbator- und Desorbatortemperaturen als auch der durch die Wärmepumpe abgegebenen Wärme ab. Das bedeutet, dass es für einen optimierten Wärmefaktor einen entsprechend optimierten Flüssigkeitsfluss gibt. Der Computer berechnet diesen optimierten Flüssigkeitsfluss anhand des Inputs aus den Temperatur- und Drucksensoren. Da die Druckdifferenz zwischen Absorbator und Desorbator bekannt ist, berechnet der Computer dann die Einstellung der Rückhaltung.
Damit das System im Gleichgewicht gehalten wird, wird die Pumpkapazität in Form von Geschwindigkeitsveränderungen geregelt, wodurch das Flüssigkeitsniveau im Desorbator konstant gehalten wird. Im Desorbator ist eine Niveauanzeige ("Le") bereitgestellt, deren Ausgabewert die Basis für den Betrieb eines Regulators für diese Geschwindigkeitsvariation ist.
Wenn die Wärmepumpe abgeschaltet wird, gibt der Computer Befehle, die Rückhaltung zu schliessen und den Kompressor und die Pumpe abzuschalten.
Die Erfindung wird nachfolgend durch die folgenden Beispiele dargestellt.
BEISPIELE
Ein experimenteller Aufbau, der die unten angegebenen Komponenten umfasste, wurde zur Verifizierung der Funktion des erfindungsgemässen Wärmepumpensystems verwendet (siehe unten Beispiel 2).
Der Aufbau umfasst einen Aesorbator aus Stahl mit den folgenden Massen:

Breite: 305 mm

Höhe: 405 mm

Länge: 980 mm

Gewicht: 70 kg (einschliesslich Heizung, aber ohne Kühlmittel, Isolierung und Sensoren)

Volumen: 0,121 m³
Es wird eine Heizung für die steuerbare Heizung des Kessels bereitgestellt. Der Kaltwiderstand der Heizung beträgt 82,9 Ω.
Der Desorbator in diesem Aufbau ist ebenfalls aus Stahl und besitzt die folgenden Masse:

Breite: 305 mm

Höhe: 405 mm

Länge: 780 mm

Gewicht: 62,5 kg (einschliesslich Heizung, aber ohne Kühlmittel, Isolierung und Sensoren)

Volumen: 0,096 m³
Ferner ist der Desorbator mit einer Heizung zur steuerbaren Aufheizung des Kessels ausgestattet. Der Kaltwiderstand der Heizung beträgt 8,18 Ω.
Der Kompressor ist ein ZEM HE 80 101 S von Zanussi.
Die Flüssigkeitspumpe ist eine Fluid-O-Tech PO 301.
Der Wärmeaustauscher ist ein SWEP Typ B25.
Das Zweikomponenten-Kühlmittel umfasst als Gleitmittelflüssigkeit Dieseltreibstoff (Statoil Diesel Klasse 1). Die Gesamtmasse der Flüssigkeit beträgt 15 kg, d. h. 0,0184 m³ bei 15°C. Die gasförmige Komponente ist eine Mischung aus 2,5 kg Isobutan, Klasse 2,5, und 2 kg Flüssiggas (Propan 95 von Statoil, Schweden).
BEISPIEL 1
Dieses Beispiel ist eine theoretische Auswertung eines erfindungsgemässen Wärmepumpensystems auf Absorptions/Kompressionsbasis im Vergleich zu einer herkömmlichen Wärmepumpe auf Basis der Verdampfung/Kompression.
In diesem Beispiel sei eine herkömmliche Wärmepumpe angenommen, die zum Transport von Wärme von einer –35°C-Umgebung in eine 55°C-Umgebung angepasst ist. Diese Pumpe wird durch Tabelle 1 repräsentiert.
Tabelle 1 ist ein Auszug aus einem Datenblatt für einen realen Kühlkompressor, Danfoss SC21C, mit einem Zylindervolumen von 21 cm³. Die extrahierten Daten, die für die Berechnung verwendet wurden, sind in den vertikalen Kästchen angegeben. Das horizontale Kästchen kennzeichnet die angenommenen Betriebsbedingungen. In diesem herkömmlichen Wärmepumpensystem ist die Druckdifferenz entlang des Kompressors nur eine Funktion des Kühlmittels und kann nicht beeinflusst werden.
Wenn diese Pumpe durch ein erfindungsgemässes Absorptions-Kompressions-System ersetzt wird, kann die Druckdifferenz entlang des Kompressors leicht beeinflusst und verringert werden. Das hat die Auswirkung auf den SC21-Kompressor, dass er wesentlich effizienter wird, und ohne Verlust an Massenfluss und Kapazität durch einen viel kleineren ersetzt werden kann. Dies wird in Tabelle 2 wiedergegeben, die Daten für einen Danfoss FR8,5B-Kompressor mit einem Zylindervolumen von 8,5 cm³ enthält.
Das horizontale Kästchen enthält die Betriebsdaten für nahezu den gleichen Massefluss und die gleiche Kapazität wie im herkömmlichen System.
Der Wärmefaktor ϕ₁ für das herkömmliche System kann dargestellt werden als ϕ1 = (Pinput + Pkap)/Pinput worin:
P_input die elektrische Leistungsaufnahme ist, die zum Betrieb des Kompressors bei vorgegebenen Kondensations- und Verdampfungstemperaturen erforderlich ist,
P_kap ist die Kapazität des Kompressors bei den vorgegebenen Kondensations- und Verdampfungstemperaturen,
und liefert: ϕ1 = [390(Leistungsaufnahme) + 230(Kapazität)]/390(Leistungsaufnahme) = 1,59
Der Wärmefaktor ϕ₂ für das Absorptions-Kompressionssystem ist: ϕ2 = [220(Leistungsaufnahme) + 240(Kapazität) + 351/[220(Leistungsaufnahme) + 35] = 1,94
Der Term 35 (W) ist die Eingangsleistung, die zur Zirkulierung der Flüssigkeit notwendig ist. Diese Eingangsleistung beträgt in Wirklichkeit nur wenige Watt, aber mit den mechanischen und elektrischen Verlusten wird diese Eingangsleistung zu 35 W angenommen (und ist daher folglich eine Überabschätzung). (ϕ2 – ϕ1)/ϕ1 = (1,94 – 1,59)/1,59 = 0,23
Die notwendige Verringerung der Druckdifferenz wird wie folgt berechnet: [1.177,4 (kPa) – 1.277,26 (kPa)]/1.277,26 (kPa) = –0,08
Schlussfolgerung: Der Wärmefaktor wird mit einer Abnahme der Druckdifferenz von 8% um 22% erhöht.
Tests zeigen, dass eine praktisch erzielbare Verringerung der Druckdifferenz etwa 50% beträgt, was eine erzielbare Zunahme des Wärmefaktors ϕ von etwa 30% im Vergleich zu herkömmlichen Systemen anzeigt.
Das nachfolgende Beispiel zeigt, dass eine 50%-ige Verringerung der Druckdifferenz mit einem erfindungsgemässen Absorptions-Kompressions-System erzielbar ist.
BEISPIEL 2
Das in 7 gezeigte Diagramm zeigt einen Testlauf mit einer Kühlmittellösung, die eine Mischung aus Propan/Isobutan, aufgelöst in Dieseltreibstoff, umfasst.
In diesem Diagramm sind alle Parameter gezeigt, die gemessen wurden. Diese sind Umgebungs-, Absorbator- und Desorbatortemperaturen und Absorbator- und Desorbatordrücke.
Wenn das Kühlmittel reines Propan wäre, sollten die Absorbator- und Desorbatordrücke eine Funktion der Absorbator- bzw. Desorbatortemperatur sein. Diese entsprechenden reinen Propandrücke sind berechnet aus der Dampfdruckgleichung, und das Ergebnis ist im Diagramm in 8 gezeigt.
Als Ergebnis dieser Berechnung ist es leicht, sowohl Druckdifferenzen als auch selbstverständlich die relative Druckdifferenz zu berechnen, siehe das Diagramm gemäss 9 (die Berechnung wurde durchgeführt wie in Beispiel 1).
Wie 9 klar zeigt, ist die durchschnittliche Druckverringerung etwa 50%.
In diesem Test war der Flüssigkeitsfluss (Mittelwert) 2,5 × 10^–5 m³/sek. Die zum Antrieb des Flüssigkeitsflusses notwendige Leistung betrug 4 W. Nimmt man den Wirkungsgrad für sowohl die Pumpe als auch den Motor zu 40% an, so entspricht dies einer elektrischen Eingangsleistung von 25 W zum Antreiben der Pumpe.
Obwohl die Erfindung anhand von Ausführungsformen eines Wärmepumpensystems beschrieben wurde, das für Haushaltsheizungszwecke geeignet ist, ist ersichtlich, dass es gleichermassen möglich ist, die Vorrichtung im umgekehrten Modus zu betreiben, d. h. als Kühlsystem, wie beispielsweise für Klimaanlagenzwecke. Die Anpassung an eine solche Verwendung ist einfach und bildet an sich keinen Teil der Erfindung, der Kühlaspekt liegt jedoch selbstverständlich innerhalb des Umfangs des erfindungsgemässen Konzepts.
Ferner ist es möglich, ein Kombinationssystem zu konstruieren, das, je nach Bedarf, sowohl im Kühl- als auch im Heizmodus betrieben werden kann. Dies erfordert Ventilvorrichtungen zum Umschalten der verschiedenen Kühlmittelflüsse, wie in 10 gezeigt. Folglich sind im Wärmepumpenmodus die Vierwege-Umschaltventile (V) so eingestellt, dass der Fluss, der durch die Pumpen (P) gepumpt wird, entlang dem durch (1) gekennzeichneten Weg verläuft, während Weg (2) geschlossen ist. Dadurch wird Wärme in die Heizung (R) zugeführt, wodurch der Raum erwärmt wird. Im Kühlmodus werden die Ventile so eingestellt, dass die Flüssigkeit entlang weg (2) geleitet wird, wodurch die Heizung als Wärmequelle zur Abführung von Wärme wirkt, wodurch der Raum gekühlt wird.
Es sind zahlreiche Variationen und Modifikationen der offenbarten Erfindung denkbar, und die Erfindung ist nur durch den Umfang der anliegenden Patentansprüche beschränkt.

Claims

Wärmetransportvorrichtung, die einen Absorbator (204), einen Desorbator (202), einen Kompressor (206), der so angeordnet ist, daß Gas (205') von dem Desorbator (202) in die flüssige Phase (203'') im Absorbator (204) überführt wird; einen Wärmeaustauscher (216), eine Rückhaltevorrichtung (222) zur Regulierung des Rückflusses von Flüssigkeit aus dem Absorbator in den Desorbator und ein Zweikomponentengas/Flüssigkühlmittel umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor (206) und eine Flüssigkeitspumpe (212) in den Desorbator (202) integriert sind, die Flüssigkeitspumpe (212) ist so angeordnet, daß sie Flüssigkeit (203') aus dem Desorbator (202) durch den Wärmeaustauscher (216) hindurchpumpt und die Flüssigkeit in die Gasphase (205'') des Absorbators (204) ausstößt, und dadurch, daß das Kühlmittel ein Gleitmittel umfaßt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, worin der Kompressor (206) und die Flüssigkeitspumpe (203') zumindest teilweise in das Kühlmittel eingetaucht sind.
Wärmetransportvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, worin der Kompressor (206) zumindest teilweise in das Kühlmittel eingetaucht ist.
Wärmetransportvorrichtung gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, worin das Kühlmittel ein in der Flüssigkeit absorbiertes Gas umfaßt.
Wärmetransportvorrichtung gemäß Anspruch 4, worin die flüssige Komponente Verbindungen umfaßt, die ausgewählt sind aus Kohlenwasserstoffen mit C₉-C₁₇-Kohlenstoffketten, Kohlenwasserstoffen mit einem Siedepunkt im Bereich von 180 bis 300°C, Schmierölen mit niedriger Viskosität, Polyalphaolefinen, Polyglycolen, Siliconölen und synthetischen Estern, langkettigen Polyalkoholen, Alkylaminoestern, aliphatischem Naphtha oder Mischungen daraus.
Wärmetransportvorrichtung gemäß Anspruch 5, worin das Gleitmittel Dieseltreibstoff umfaßt.
Wärmetransportvorrichtung gemäß Anspruch 4 oder 5, worin die gasförmige Komponente ausgewählt ist aus einem Kohlenwasserstoff, vorzugs weise mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen, und einem Ether oder Mischungen daraus.
Wärmetransportvorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 5 bis 7, worin der Kohlenwasserstoff iso-Butan oder verflüssigtes Petroleumgas umfaßt.
Wärmetransportvorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 7 bis 8, worin der Ether Ethylether ist.
Wärmetransportvorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 3 bis 9, worin die Rückhaltevorrichtung (222) und die Pumpe (212) in dem Desorbator (202) integriert und gegebenenfalls zur Verbesserung der Gleitwirkung in das Kühlmittel eingetaucht sind.
Wärmetransportvorrichtung gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner einen Hydraulikmotor (500) umfaßt, der mit der Welle (502) der Flüssigkeitspumpe (212) verbunden und so angeordnet ist, daß Flüssigkeit aus dem Absorbator über eine Leitung (504) unter Umgehung der Rückhaltevorrichtung (222) geführt wird.
Wärmetransportvorrichtung gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, die Oberflächenvergrößerungsmittel (326) umfaßt, die innerhalb des Absorbators (204) bereitgestellt sind.
Wärmetransportvorrichtung gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der Absorbator oder der Desorbator innerhalb eines Gebäudes angebracht ist, und der andere ist außerhalb dieses Gebäudes angebracht.
Wärmetransportvorrichtung gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Kühlmittel ein Gleitmittel als Flüssigkomponente und eine gasförmige Komponente, die in dem Gleitmittel absorbierbar ist, umfaßt.
Wärmetransportvorrichtung gemäß Anspruch 14, worin das Gleitmittel ausgewählt ist aus Kohlenwasserstoffen mit C₉-C₁₇-Kohlenstoffketten, Kohlenwasserstoffen mit einem Siedepunkt im Bereich von 180 bis 300°C, Schmierölen mit niedriger Viskosität, Polyalphaolefinen, Polyglycolen, Siliconölen und synthetischen Estern, langkettigen Polyalkoholen, Alkylaminoestern, aliphatischem Naphtha oder Mischungen daraus.
Wärmetransportvorrichtung gemäß Anspruch 15, worin das Gleitmittel eine Viskosität von 1 bis 40 mm²/s aufweist, vorzugsweise 1,5 bis 20 mm²/s, noch weiter bevorzugt 2 bis 10 mm²/g.
Wärmetransportvorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 14 bis 16, worin die Flüssigkomponente Dieseltreibstoff umfaßt.
Wärmetransportvorrichtung gemäß Anspruch 14, worin die gasförmige Komponente einen Kohlenwasserstoff umfaßt, vorzugsweise mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen.
Wärmetransportvorrichtung gemäß Anspruch 14, worin der Kohlenwasserstoff iso-Butan umfaßt.
Wärmetransportvorrichtung gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, die als Wärmepumpe verwendet wird.
Wärmetransportvorrichtung gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, die als Kühlvorrichtung verwendet wird.
Kombinationssystem, das eine Wärmetransportvorrichtung gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche umfaßt, die Mittel zum Umschalten zwischen Heiz- und Kühlbetriebsarten umfaßt.