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Wärmepumpe Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe, nämlich eine Einrichtung,
die es ermöglicht, Gas oder Flüssigkeiten durch Aufwendung von Energie, und zwar
vorzugsweise mechanischer oder elektrischer, aufzuheizen. Nur der kleinere Teil
der Wärme wird bei diesen bekannten Maschinen in Form von mechanischer Energie zugeführt
und der größere Teil einem Gas oder einer Flüssigkeit, also einem Wärmeträger tieferer
Temperatur, entzogen.
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Die Wärmepumpe nach der Erfindung soll es besonders ermöglichen, industrielle
Anlagen und Gebäude so zu heizen, daß eine erhebliche Einsparung an Heizstoffen
gegenüber der meist üblichen Heizart erfolgt.
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Die bis heute üblichen Wärmepumpen benutzen meist Flüssigkeiten, die
periodisch verdampft und kondensiert werden. Der Wirkungsgrad dieser Wärmepumpen
ist jedoch nicht so hoch, daß die erheblichen Investitionskosten durch Brennstoffeinsparung
genügend schnell amortisiert werden können.
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Es sind ferner auch Wärmepumpen bekannt, die an Gasen Kreisprozesse
durchführen, also nicht mit Flüssigkeiten arbeiten, und die theoretisch den Wärmepumpen
mittels Flüssigkeit bezüglich des Wirkungsgrades überlegen sein müßten. Die bisher
hiermit durchgeführten Kreisprozesse sind jedoch nicht genügend hochwertig, da sie
von den theoretischen Zielen weit entfernt bleiben, und außerdem ist auch ihre Kinematik
nicht genügend einfach, um sich gegenüber den Wärmepumpen, die Flüssigkeit benutzen,
durchsetzen zu können.
Es sind z. B. Wärmepumpen bekannt, bei denen
mittels in Zylindern hin und her gleitender Kolben ohne Zuhilfenahme von mechanischer
Energie an Gasen gleicher chemischer Zusammensetzung Kreisprozesse durchgeführt
werden, die so verlaufen, daß einem sehr heißen, Wärmeträger und einem sehr kalten
Wärmeträger Energie entzogen wird und däß diese Energie an eine lauwarme Flüssigkeit
übertragen wird. Es ist also sozusagen die Kombination eines Heißluftmotors mit
einer Heißluftkältemaschine. Die aus dem heißen Medium eingeführte Energie erzeugt
mechanische Energie, die genau so groß ist, wie die eigentliche Kältemaschine benötigt.
Dabei dieser Maschine jedoch nurKurbeltriebe zur Bewegungserzeugung verwendet werden,
gelingt es damit nicht, einen Idealprozeß durchzuführen, bei dem nämlich die Wärme
bei konstanten höchsten und tiefsten Temperaturen zugeführt wird und bei konstanter
Mitteltemperatur abgeführt wird. Eine Kombination mehrerer Kurbeltriebe ergibt nämlich
r@ie einen theoretisch vallkomm-enen Kreisprozeß, da solch einer einen zeitweiligen,
periodischen Stillstand der Kolben verlangt.
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Weiterhin sind Wärmepumpen bekannt, die nach dem gleichen Prinzip
arbeiten, bei denen die mechanische Reibungsarbeit von einem kleinen Elektromotor
geleistet wird. Da auch diese auf dem Schubkurbeltriebe beruhen, kann damit ein
idealer Kreisprozeß nicht durchgeführt werden.
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Es sind ferner Maschinen bekannt, die in jedem Zylinder einen Verdrängerkolben
und einen Verdichterkodben benutzen. Der Antrieb des Verdrängerkolbens geschieht
dann durch eine Hubscheibe, der Antrieb des Verdichterkolbens wieder durch einen
Kurbeltrieb. Auch hiermit lassen sich die erstrebten Edelkreisprozesse, z. B. aus
zwei Isothermen und zwei Isobaren bestehend, nicht durchführen, da es nicht gelingt,
der aus dem Kurbeltrieb resultierenden Sinuslinie eine andere Linie so zu überlagern,
daß Isothermen und Isobaren auch wirklich zustande kommen.
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Es ist ferner bekannt, daß es zweckmäßig ist, die Leistung dieser
Maschinen nicht so sehr durch Regelung der Drehzahl, sondern durch Regelung der
Vorspannung einzustellen.
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Die- Maschine der vorliegenden Erfindung benutzt grundsätzlich auch
diese an sich bekannte Regelung, vermeidet jedoch den Kurbeltrieb. vollständig und
ersetzt ihn durch einen so gestalteten Hubscheibentrieb, daß sich eine ganze Reihe
von Zylinderpaaren ergibt, deren Kolben parallel zur Hauptwelle liegen und von denen
je ein Kalt- und ein Warmzylinder zusammengeschlossen sind und einen thermodynamischen
Edelkreisprozeß, z. B. einen, der auch tatsächlich aus zwei Isobaren und zwei sehr
angenäherten Isothermen besteht, durchführen.
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Die beiden Isothermen werden hierbei jedoch in getrennten, Zylindern
und die beiden Isobaren in einem gemeinsamen Regenerator durchgeführt. Kennzeichnend
für diese Erfindung ist demnach, daß Verdichtung und Expansion des Arbeitsgases
in Zylindern mit hin und her gehenden Kolben vorgenommen werden, daß der eine Zylinder
dauernd von einer kalten, der andere Zylinder dauernd von einer heißen Flüssigkeit
umspült wird und daß ein hoch vorgespanntes Gas über Kühler, Regenerator und Erhitzer
zwischen den beiden Zylindern hin und her gepumpt wird, wobei die Kompression nur
in dem einen, die Expansion aber nur in dem andern Zylinder stattfindet. Während
der Kompression und während der Expansion bewegt sich aber nur- einer der beiden
Kolben, während der andere vollständig in der Bewegung ruht. Diese für den hochwertigen
Kreisprozeß notwendige jeweils periodisch unterbrochene -Bewegung kann aber durch
den üblichen Kurbeltrieb, der ja nur sinusförmige Bewegungen liefert, nicht hervorgerufen
werden. Ein weiteres Kennzeichen der Erfindung ist darum die Verwendung einer Hubscheibe
(nicht Taumelscheibe) mit entgegengesetzt liegenden Laufflächen, die jedoch nicht
parallel zueinander verlaufen.
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Ein weiteres Kennzeichen dieser Erfindung ist die Verwendung von Pufferelementen,
nämlich einer Art Wärmespeicher, die es gestatten, für bestimmte Zeiten die beim
Gefrieren des Wassers latent frei werdende Wärme zu benutzen.
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Ein weiteres Kennzeichen der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung
von solchen Motoren zur Lieferung der Energie für den Antrieb der Wärmepumpe, die
die gleichen Treibstoffe verwenden, die sonst zur direkten Heizung dienen würden,
die also nicht z. B. Dieselöl oder Benzin verwenden, sondern Kohle, Koks, Torf,
Holzabfälle, billige Gase usw.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der nachfolgenden. Wirkungsweise
der Besthreibung der Wärmepumpe hervor, die an Hand der Zeichnungen mit den Fig.
i bis 7 erfolgt.
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Fig. i zeigt den erstrebten thermodynamischen Kreisprozeß im logarithmischen
P-Tl-Diagramm dargestellt; Fig. a zeigt den gleichen Kreisprozeß im Q-L-Diagramm
(beschrieben in der Zeitschrift »Maschinenbau und Wärmewirtschaft«, Heft 5, 1949,
Springer-Verlag, Wien) ; . Fig. 3 zeigt den Längsschnitt durch die eigentliche Wärmepumpe
in vereinfachter und schematischer Darstellung; Fig.4 zeigt die Abwicklung der erzeugenden
Laufflächen der Hubscheibe; Fig. 5 zeigt einen etwas andersartigen thermodynamischen
Kreisprozeß, bei dem die Gase statt annähernd isotherm annähernd adiabatisch verdichtet
und entspannt werden; Fig. 6 zeigt den gleichen Kreisprozeß im Q-L-Diagramm; Fig.
7 zeigt ein schematisches Beispiel für die Verwendung der Wärmepumpe zur Heizung
eines mehrstöckigen Gebäudes unter Verwendung der bereits üblichen Warmwasserzentralheizei.nrichtung.
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In Fig. i sind auf der Abszisse die Volumina und auf der Ordinate
die Drücke im logaritthmischen Maßstab eingezeichnet. Der Kreisprozeß besteht aus
zwei Isothermen und zwei Isobaren. Der Deutlichkeit
halber sind
Isothermen eingezeichnet, die bei 300 und 5oo° absolut liegen; und Isobaren
von i und von 5 ata. Zur Erzielung einer hohen Wärmeleistung und eines guten Wirkungsgrades
ist es aber zweckmäßig, die Drücke der Isobaren höher zu wählen, z. B. von 2o bzw.
ioo ata, und die Isothermen bei möglichst angenäherten Temperaturen durchzuführen,
z. B. bei o und 30° C, also bei 273 und bei 3o3° Kelvin.
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Die Wärmezufuhr bei konstantem Druck, also die eine Isobare, erfolgt
entlang der Linie a. Diese Wärmezufuhr geht im Regenerator i9 der Wärmepumpe nach
Fig. 3 vor sich. Entlang der Linie b wird das Gas isotherm verdichtet. Hierbei wird
also Wärme abgegeben, und zwar aus dem. Heißzylinder 15 der Fig. 3 nach außen hin
an die diesen umspülende Flüssigkeit. Die Abkühlung bei konstantem Druck erfolgt
wieder im Regenerator der Fi;g. 3, nämlich entlang der Linie c. Entlang der Linie
d erfolgt dann die isotherme Expansion im Kaltzylinder 14 der Fig. 3. Da sich der
Linienzug im log-P-V-Diagramm schließt, ist der dargestellte Prozeß ein Kreisprozeß,
und seine periodische Wiederholung wird durch die Wärmepumpe nach Fig. 3 bewirkt.
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Aus dem O-L-Diagramm der Fig. 2 geht hervor, daß der Kreisprozeß eine
Wärmepumpe ist, da er j a im Uhrzeigersinn verläuft. Gemäß Fig. 2 wird nämlich während
der Isobaren a etwas Arbeit geleistet, gleichzeitig aber viel Wärme zugeführt. Während
der Isothermen b wird eine beträchtliche Wärmemenge abgeführt und gleichzeitig das
gleiche Arbeitsäquivalent aufgenommen, da die Isotherme ja bekanntlich die iooo/oige
Umwandlung von Arbeit in Wärme darstellt. Die hierbei abgegebene Wärme wird zur
Heizung der anzuwärmenden Flüssigkeit benutzt. Bei der isobaren Abkühlung entlang
der Linie c wird etwas Arbeit aufgenommen und eine beträchtliche Wärmemenge abgegeben.
Diese Arbeit und diese Wärme entsprechen aber genau denjenigen der Linie a, besitzen
jedoch entgegengesetzte Vorzeichen. Diese isobare Zustandsänderung geht wieder im
Regenerator i9 der Fig. 3 vor sich. Bei einem idealen, also einem verlustlosen Regenerator
heben sich darum Linie a und Linie c gleichsam auf und müssen darum für die Beurteilung
der Wärmemengen, Arbeitsmengen und des Wirkungsgrades nicht mehr h°rangezogen werden.
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Während der isothermen Expansion entlang der Linie d wird Arbeit geleistet
und Wärme aufgenommen. Die Wärmeaufnahme geschieht hierbei aus der zu kühlenden
Flüssigkeit. Es ist ersichtlich, daß die Linie d kürzer ist als die Linie
b, was in den verschiedenen Temperaturniveaus der beiden Isothermen begründet
ist.
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Da der Endpfeil der ganzen Kennlinie links oberhalb von ihrem Anfangspunkt
liegt, benötigt dieser Kreisprozeß Arbeit, die in Wärme umgewandelt wird. Es ist
aber auch gleichzeitig ersichtlich, daß die Wärmezu- und -abfuhr entlang der Linie
b nur teilweise durch Energiezufuhr an Arbeit von außen her gedeckt werden muß.
Der größere Teil der Wärme wird ja durch den Wärmeentzug aus der zu kühlenden Flüssigkeit,
also entlang der Linie d, gedeckt.
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Die Wärmeleistung dieser Wärmepumpe ist also größer als die Arbeitszufuhr
von außen her, und somit ist der Wirkungsgrad bezogen auf die Arbeitszufuhr über
ioo °/o. Bei genauer Innehaltung der Isothermen wäre er bei dem gezeigten Beispiel
und bei der verlustlosen Maschine
Die Wärmeleistung richtet sich nach dem Kompressionsverhältnis, nach der Vorspannung
und nach dem in der Zeiteinheit umgewälzten Gasvolumen. Für praktische Gebäudeheizungen
sind mit der erfindungsgemäßen Maschine, je nach den Temperaturspannen, Wirkungsgrade
bis zu iooo °/a erreichbar.
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Aus Fig.3 ergibt sich die Arbeitsweise der Wärmepumpe wie folgt: Durch
eine Kraftquelle, z. B. einen Motor, wird die Riemenscheibe i in Drehung versetzt
und dadurch auch die Welle 2 und die damit fest verbundene Hubscheibe 5. DieWelle2
ist in den beiden Kugellagern 3 und q. drehbar gelagert.
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Auf den schrägen Laufflächen 6 und 7 laufen die Kegelrollen 8 und
9 ab, wodurch die Kolbenstange io und i i in vorbestimmter Geschwindigkeit und unter
Einhaltung gewisser Ruhepausen (also nicht etwas sinusförmig wie beim Kurbeltrieb)
auf und ab bewegt werden. An diesen befinden sich die Kolben i2 und 13, die im Kaltzylinder
14 bzw. im Heißzylinder 15 auf das eingeschlossene hoch vorgespannte Gas von z.
B. 2o ata einwirken. Im oberen Teil der Maschine sind die Kaltzylinder i¢ in größerer
Zahl, z. B. vier bis acht, kranzförmig um die Welle 2 angeordnet. Im unteren Teil
der Maschine ist die gleiche Anzahl der Heißzylinder 15 ebenfalls kranzförmig angeordnet.
So steht also jedem Kaltzylinder i¢ ein Heißzylinder 15 gegenüber, und die Drücke
auf die Hubscheibe 5 in Wellenachsrichtung heben sich teilweise auf und würden sich
ganz aufheben, wenn die Durchmesser der Kalt- und Heißzylinder gleich wären. Je
ein Kaltzylinder 14 und ein Heißzylinder 15 ist durch die Leitung 16, den Kühler
17, die Leitung 18, den Regenerator i9 und die Leitung 2o, den Vorwärmer 2i und
die Leitung 22 miteinander verbunden. Der Mantel 23 der Maschine umschließt
den oberen Raum 2q., der von Flüssigkeit durchflossen wird, der die Wärme entzogen
werden soll, und den unteren Raum 25, der die aufzuheizende Flüssigkeit enthält.
Dazwischen befindet sich ein mit Öl gefüllter Raum (Ölnebel wie im Gehäuse
eines Verbrennungsmotors), in dem die Hubscheibe dreht, die Rollen 8 und 9 umlaufen
und die Kolbenstangen auf und ab bewegt werden. Die Flüssigkeit, der die Wärme entzogen
werden soll, tritt durch die Leitung 26 in den Raum 2¢ ein und durch die Leitung
27 aus. Die aufzuheizende Flüssigkeit tritt durch die Leitung 28 in den Raum 25
ein und durch die Leitung 29 aus.
Fig. 4 zeigt ein Beispiel für
die Gestaltung der kegelförmigen Laufflächen der Hubscheibe 5. Wird nur das Kolbenstangenpaar
io und ii mit den Kegelrollen 8 und 9 in Betracht gezogen, so ergibt sich durch
Drehung der Hubscheibe von oben gesehen im Uhrzeigersinn, also durch Bewegung der
Abwicklung in Fig. 4 von rechts nach links in der Pfeilrichtung: Im ersten Quadranten
bewegen sich beide Kolbenstangen nach oben. Das Gas wird dadurch gezwungen, aus
dein Kaltzylinder 14 über Kühler 17, Regenerator ig und Vorwärmer 2i in den Heißzylinder
15 einzutreten. Dadurch wird das Gas erhitzt und würde an Druck zunehmen, wenn der
Durchmesser beider Zylinder gleich groß wäre. Der Durchmesser des Heizylinders 15
ist aber so gewählt, daß trotz der Erwärmung der Druck dennoch konstant bleibt,
hätte also bei dem angenommenen Beispiel das i,66fache Volumen des Kaltzylinders
14. Hierdurch entsteht die schon genannte Isobare a.
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Im zweiten-Quadranten bleibt die Kolbenstange io in ihrer obersten
Lage, während die Kolbenstange i i das Gas, das sich, wenn kein schädlicher Raum
existiert, vollständig im Heißzylinder 15 befindet, durch Bewegung nach unten zusammenpreßt.
Hierdurch entsteht Wärme, die aber durch die wärmedurchlässige Wand des Zylinders
15 in die zu erhitzende Flüssigkeit des Raumes 25 übertragen wird. Für das notwendige
Wärmegefälle muß die zu erhitzende Flüssigkeit natürlich etwas kälter sein als das
sich verdichtende Gas. Die Zylinder 14 und auch 15 erhalten deshalb taschenförmige
Einstülpungen in ihren Deckeln, die Gegeneinstülpungen entsprechen, damit große
Oberflächen erzielt werden. Diese Einstülpungen sind aber der Übersichtlichkeit
halber in Fig. 3 nicht auch noch eingezeichnet worden. Im zweiten Ouadranten entsteht
demnach die Linie b, also die Isotherme der Fig. i und 2.
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Im dritten Quadranten bewegen sich die beiden Kolben io und ii gleichzeitig
nach unten, wodurch das Gas durch den Regenerator ig wieder in den Kaltzylinder
14 zurückströmt. Hierbei zieht es sich zusammen; da der Zylinder 14 aber kleiner
ist als der Zylinder 15 und volumenmäßig auf die Abkühlung abgestimmt ist, bleibt
sein Druck hierbei konstant, und es durchläuft die isobare Zustandsänderung c der
Fig. i und 2.
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Im vierten Quadranten wird die untere Kolbenstange i i in ihrem Totpunkt
festgehalten. Das ganze Gas befindet sich darum im Kaltzylinder 14, und durch die
Bewegung der Kolbenstange io nach unten expandiert es hier, während durch die wärmedurchlässige
Zylinderwand Wärme in das Gas eindringt (wieder muß ein gewisses Wärmegefälle zwischen
Gas und Flüssigkeit bestehenbleiben). Es vollzieht also die isotherme Zustandsänderung
d der Fig. i und 2. Damit ist der Kreisprozeß beendet und wiederholt sich bei jeder
Umdrehung in gleicher Art für jedes Kolbenpaar.
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Die Kühler 17 und der Vorwärmer 21 bestehen je aus zwei ineinanderliegenden
Rohren. Im engen ringförmigen Zwischenraum strömt das _Gas, und innen und außen
sind die Wände flüssigkeitbespült. Das Gas tritt mit sehr großer Geschwindigkeit
durch den engen Ringraum. Wegen dieser großen Geschwindigkeit und wegen der hohen
Vorspannung ist die Wärmeübergangszahl hier sehr groß. Und in diesen Kühlern und
Vorwärmern vollzieht sich ein Teil der isobaren Zustandsänderungen. Bei dem beschriebenen
Prozeß hat Kühler 17 und Vorwärmer 21 nur die Aufgabe, Unvollkommenheiten des Regenerators
ig auszugleichen. In der Praxis wird sich aber, besonders bei hoher Drehzahl, die
Isotherme oft nicht voll verwirklichen lassen. Und dann fallen den Kühlern 17 und
den Vorwärmern 21 die Aufgaben der eigentlichen Wärmeübertragung zu. Einen solchen
Prozeß, der beispielsweise aus zwei Adiabaten und zwei Isobaren besteht, schildern
die Fig. 5 im log-P-V-Diagramm und die Fig. 6 im Q-L-Diagramm.
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Nimmt man bei diesem Kreisprozeß die linke obere Ecke der Fig. 5 als
Ausgangspunkt, so ergibt sich: Linie e = adiabatische Expansion des vorgespannten
Gases im Kaltzylinder 14. Linie f = isobare Vorwärmung von z. B. igo auf 3oo° Kelvin
im Kühler 17. Hier erfolgt also die Wärmeentziehung aus der zu kühlenden Flüssigkeit.
Weitere isobare Aufwärmung im Regenerator i9 durch die Linie g. Adiäbatische Kompression
im Heißzylinder 15 durch die Linie h bis .auf 8oo° Kelvin. Isobare Wärmeabgabe im
Vorwärmer 2i durch die Linie i. Hier erfolgt also die Erhitzung der aufzuwärmenden
Flüssigkeit. Isobare Wärmeabgabe im Regenerator 19 durch die Linie k. Die Wärmemengen
der Linie g und k decken sich also. Delta -A - L ist, wie aus Fig. 6 ersichtlich,
die in die Maschine eingeführte mechanische Energie, und die Ordinatendifferenz
der Linie i ist die an die Flüssigkeit abgegebene Wärme. Die Ordinatendifferenz
der Linie f ist die der anderen Flüssigkeit entzogene Wärme. Die Ordinatendifferenz
der Linie f und der Linie kergibt also die Ordinatendifferenz der Linie i. Wird
nun die eingebrachte Energie mit der an die anzuheizende Flüssigkeit übertragenen
Wärme verglichen, so ist die Wärme größer als die Antriebsleistung und damit die
Wärmeleistung oder der Wirkungsgrad wieder über ioo °/o, wenn auch nicht ganz so
hoch wie bei dem Kreisprozeß nach den Fig. i und 2.
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Die praktisch erzielten Kreisprozesse werden meist in der Mitte zwischen
den beiden geschilderten Idealprozessen liegen. Es sei betont, daß nicht möglichst
hohe Kompressionsverhältnisse die optimale Leistung bei plafonierten Spitzendrücken
ergeben, sondern Kompressionsverhältnisse zwischen 1 : 2;5 bis 1 : 5 mit entsprechend
hohen Vorspannungen.
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Fig. 7 zeigt die praktische Anwendung dieser Wärmepumpe zur Heizung
eines Gebäudes. Im Gebäude mit den Mauern 26 befindet sich eine übliche Zentralheizung
.mit der Steigleitung 30, dem Ausdehnungsgefäß 31, der Falleitung 32 und 34 und
den Heizkörpern 33. Der Heizkessel 40 heizt das Wasser in üblicher Weise an und
verursacht dessen Zirkulation, sei es durch Thermosyphonwirkung
oder
sei es unterstützt durch eine Umwälzpumpe. Dieser Heizkessel 40 wird jedoch erfindungsgemäß
nicht in üblicher Art durch Brennstoffe angeheizt, sondern durch eine heiße Flüssigkeit,
die aus einer Wärmepumpe 45 (wie in Fig. 3 beschrieben) durch die Leitung 42 in
seine Heizschlange 41 einströmt und durch die Leitung 46 wieder in die Wärmepumpe
zurückläuft. Diese Flüssigkeit ist also diejenige, die den Raum 25 der Fig. 3 durchströmt.
Die Flüssigkeit, die den Raum 24 der Wärmepumpe nach Fig. 3 durchströmt, tritt normal
aus dem Wabenkühler 39 durch die Leitung 37 und 43 in die Wärmepumpe 45 ein und
verläßt diese durch die Leitungen 44 und 3$ und tritt wieder in den Wabenkühler
39 ein. Bei normaler Arbeit wird also der Luft im Wabenkühler 39 Wärme entzogen,
diese Wärme auf die Temperaturen des Heizkessels 40 gehoben und in diesen durch
die Wärmepumpe 45 hineingepumpt.
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Ist jedoch die Außentemperatur zu tief, so wäre der Wirkungsgrad der
Wärmepumpe ungenügend. Darum wird in solchen Fällen die Wärme zeitweilig nicht mehr
dem Wabenkühler 39, sondern einem Brunnen 35 entzogen, in dem sich Wasser befindet
(oder auch ein anderer Stoff mit großer latenter Erstarrungswärme). Dieses Wasser
gefriert bei 273° Kelvin und gibt dabei je Kilo 8o Wärmeeinheiten an latenter Wärme
ab; die eben erfindungsgemäß zur Heizung benutzt wird. Die Flüssigkeit zirkuliert
hierbei aus der Wärmepumpe 45 durch die Leitung 44 in die Heizschlange 36 und durch
die Leitung 43 in die Wärmepumpe und deren Raum 24 zurück. Ist die Spitze der kalten
Außentemperatur überwunden, so wird z. B. das Gebäude weiterhin nur noch 16 Stunden
lang täglich durch den Wabenkühler 39, also durch die Außenluft, geheizt, und während
der restlichen 8 Stunden wird dem Wabenkühler 39 Wärme entzogen und durch nicht
eingezeichnete Leitungen mittels der Wärmepumpe im Brunnen 35 wieder aufgetaut.
In den Sommermonaten vollends kann das Eis im Brunnen 35 durch die Wärmepumpe oder
auch bloß durch die Zirkulation mit Flüssigkeit von Außen-. temperatur vollends
aufgetaut werden.
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Es läßt sich durch eine Rechnung leicht zeigen, daß sich bei genügend
großem Brunnen 35 (z. B. von ro m Durchmesser und 6 m Tiefe) ein Gebäude in dem
Klima Nordeuropas durch die Wärmepumpe ganz besonders rationeller aufheizen läßt,
als es nach irgendeiner der bisher bekannten Heizmethoden der Fall ist.
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Der allgemeinen Verwendung auch dieser Wärmepumpe, die mit Gasen arbeitet
und die die geschilderten idealen Prozesse durchführt, steht aber immer noch ein
Umstand hindernd entgegen. Arbeitet nämlich z. B. diese Wärmepumpe, bezogen auf
die Antriebsenergie, mit einem Wirkungsgrad von 6oo °/o, so ist sie einer direkten
Heizung, die z. B. durch Kohle vorgenommen wird, dennoch dann nicht überlegen, wenn
zu ihrem Antrieb ein Elektromotor dient und wenn der Strompreis gleichzeitig etwa
zehnmal höher je Wärmeeinheit liegt als die Wärmeeinheit der Kohle. Gerade das ist
aber bei den bisherigen Wärmepumpen der Fall, und erschwerend tritt noch in Betracht,
daß deren Wirkungsgrad bedeutend schlechter ist als der Wirkungsgrad der hier vorgeschlagenen
Wärmepumpe. In Ausnahmefällen kann eine Wärmepumpe auch mit einem Wirkungsgrad von
6oo °/o der direkten Heizung von Kohle dann überlegen sein, wenn Strom billig, Kohle
aber teuer ist, wie es z. B. in den skandinavischen Ländern der Fall ist.
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Völlig anders gestaltet sich aber die Wirtschaftlichkeit der Wärmepumpe,
wenn zu ihrem Antrieb nicht elektrischer Strom verwendet wird, sondern ein Motor,
der die gleichen Heizstoffe verwendet, welche auch für die direkte Heizung in Betracht
kommen, also z. B. Kohle oder Holz. Das ist aber der Fall, wenn man für die Wärmepumpe
den früher viel verwendeten, aber inzwischen fast vergessenen Heißgasmotor als Antriebskraft
heranzieht und wenn es gelingt, diesen Heißgasmotor der heutigen Technik anzupassen.
Erst durch den hier vorgeschlagenen Antrieb der Wärmepumpe durch einen Heißgasmotor
und möglichst durch den Zusammenbau beider Maschinen zu einer Einheit wird die Wärmepumpe
jeder anderen Heizung weit überlegen und ist dazu bestimmt, volkswirtschaftlich
allergrößte Bedeutung zu erlangen.
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Steht statt Luft ein Fluß- oder Meerwasser oder gar eine heiße Quelle
zur Verfügung, so kann an Investitionskosten außerordentlich gespart werden, da
dann der Wabenkühler 39 in diese Wärmequelle verlegt werden kann und weil der Brunnen
dann fortfällt.
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Rein konstruktiv kann die Wärmepumpe natürlich recht verschieden gestaltet
und ausgeführt werden. Sie läßt sich z. B. auch zur Kälteerzeugung benutzen, falls
der Kreisprozeß im P-V-Diagramm nach links oder im O-L-Diagramm nach rechts verschoben
wird.
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Durch Umkehrung der Drehrichtung der Hubscheibe 5 und Aufheizung der
Flüssigkeit im Raum 25 ergibt sich natürlich aus der Wärmepumpe eine Kraftmaschine,
und gerade solch eine Kraftmaschine ist dann, als Heißluftmotor ausgebaut, der ideale
Antrieb für die Wärmepumpe.
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Um seitliches Abgleiten der Kegelrollen 8 und 9 zu verhüten und um
die auftretenden Seitenkräfte aufzunehmen, werden die Kolbenstangen an der Gehäusewand
23 noch durch Kugellager abgestützt. Diese Abstützung ist aber in Fig. 3 nicht auch
noch eingezeichnet worden, um die Klarheit der Prinzipzeichnung nicht zu stören.
Bei der praktischen Ausführung werden auch die Kolben die Zylinder nie vollständig
dicht abschließen, und darum wird stets etwas vorgespanntes Gas in den mittleren
Raum der Wärmepumpe, in dem die beweglichen Teile in ölnebel laufen, entweichen.
Ein nicht eingezeichneter kleiner Verdichter sorgt dafür, daß dieses Gas stets wieder
dem Kaltzylinder zugeführt wird.
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Um Korrosion zu vermeiden, ist es zweckmäßig, der Arbeitsluft den
Sauerstoff zu entziehen und somit Stickstoff als Arbeitsgas zu verwenden. Zur Einsparung
an der Regeneratorfläche führt besonders auch die Verwendung einatomiger Gase, von
denen
nur das Argon genügend leicht und billig zu erhalten ist.
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Zur Regulierung der Wärmeleistung kann natürlich die Regelung der
Drehzahl des Antriebsmotors herangezogen werden, einfacher ist aber die Regelung-
der Vorspannung des Arbeitsgases, die hiermit vorgeschlagen wird.