EP0000001A1 - Thermische Wärmepumpe - Google Patents

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EP0000001A1 EP78200013A EP78200013A EP0000001A1 EP 0000001 A1 EP0000001 A1 EP 0000001A1 EP 78200013 A EP78200013 A EP 78200013A EP 78200013 A EP78200013 A EP 78200013A EP 0000001 A1 EP0000001 A1 EP 0000001A1
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Claus Adolf Dr. Busse
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European Atomic Energy Community Euratom
FISW GmbH
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Definitions

  • Thermal heat pumps operating in this way are of great interest for exploiting the temperature differences caused by solar radiation, in particular for the purpose of heating water or other media for heating purposes, for providing hot water and the like.
  • the thermal heat pump designed according to the invention consists of a heat pipe in which the steam duct located between the heat transfer zone for supplying heat and the heat transfer zone for dissipating heat has a cross-section that changes over its length, initially increasing and then reducing the flow rate of the steam, and in the region of the increased steam speed there is another heat transfer zone with the addition or removal of heat.
  • the thermal heat pump consists of a heat pipe, in the steam channel between the heat supply or evaporator area and the heat removal or useful condenser area, a displacement body which changes the steam speed is arranged.
  • the area in front of the displacement body is the evaporator area "V”, in which the heat flow Q o is supplied at an average temperature T.
  • the area approximately in the middle of the displacement body is the so-called drive capacitor area "TK”, in which at a middle leren temperature T 1 ', which is below the temperature T o , some of the steam condenses, the heat flow Q 1 being removed.
  • Behind the displacement body is the useful condenser area "NK”, in which the residual steam condenses and the useful heat flow Q 2 is released at an average temperature T 2 .
  • the mode of operation of the above-described embodiment of the heat pump according to the invention can also be modified such that it is thermodynamically reversed, which leads to the fact that the drive condenser area then becomes a second evaporator area. This allows a relatively large amount of heat to be transported from a low temperature to a medium temperature.
  • thermal heat pump according to the invention, shows a schematic representation of a thermal or steam jet heat pump with subsonic flow in one case and with supersonic flow in the second case.
  • the heat pump for subsonic flow consists of a heat pipe 11, on the inner wall of which a capillary structure 12 is arranged.
  • a heat pipe 11 In the interior of the heat pipe 11 is at a uniform distance from the capillary structure 12 of the displacer 13, which has a shape in its front region 14 that a nozzle 15 is formed between it and the capillary structure 12, in which the cross section of the steam channel 16 is reduced .
  • Behind In the nozzle the cross section of the steam channel 16 between the center piece 17 of the displacer 13 and the capillary structure 12 is reduced slightly due to the shape of the displacer. In this area, part of the steam is condensed by cooling. The associated increase in pressure and temperature is essentially prevented by the decrease in cross section of the steam channel.
  • the rear part 18 of the displacement body 13 is conical, so that the cross section of the flow channel 16 widens corresponding to the opening angle of the cone and forms a diffuser 19.
  • the capillary structure 12 in the region of the displacement body 13 is advantageously provided with a thin-walled cover 20, which must be connected to the capillary structure or the tubular body of the heat pipe 11 sufficiently firmly in order to avoid lifting due to negative pressure.
  • the purpose of the condensate is to drive the shear effect of the steam flow on the cover first into the useful condenser zone, in which the pressure is higher than in the evaporator zone, where it is in turn higher than in the driving condenser zone.
  • the thermal heat pump with supersonic flow according to Figure 2 basically has the same structure as that of Figure 1.
  • the main difference is that the displacement body 13 'is shaped such that the nozzle 15' and the diffuser 19 'a convergent and have a divergent part, the transition from subsonic to supersonic flow taking place at the narrowest point.
  • the condensate obtained in the driving condenser 22 and in the useful condenser 23 is returned to the evaporator 21 via the capillary structure 12 on the inner wall of the heat pipe 11.
  • thermo heat pump An embodiment of the thermal heat pump is also possible, in which a subsonic nozzle according to FIG. 1 is used, the transition to supersonic flow in the driving condenser takes place and then an ultrasonic diffuser according to FIG. 2 is used.
  • the condensate is returned to the evaporator in a known manner by means of the capillary structure on the inner wall of the heat pipe.
  • the return is essentially due to the capillary forces, which can be supported by gravity if necessary.
  • the displacement body is expediently mounted in the interior of the heat pipe on an axially arranged support rod which is preferably thermally insulated or consists of heat-poorly conductive material.
  • approximately conical displacement bodies in the useful condenser zone and optionally also in the evaporator zone, the base surfaces of which are facing the end faces of the heat pipe.
  • a cylindrical heat pipe with a capillary structure lining and cover is advantageously used, in which a displacement body with the desired cross-sectional shape is arranged. It is of course also possible to use a displacement body which is cylindrical at least in its central part, so that the cross sections of the steam channel in the various areas are then determined by the walls of the heat pipe. However, this solution is less advantageous.
  • the described and illustrated embodiments have significant advantages since losses due to boundary layer separation in the driving capacitor and diffuser and temperature losses due to a larger heat transfer area in the driving capacitor are avoided; moreover, the structural shape and the manufacturability are much simpler and more stable.
  • the heat pipe could be arranged in such a way that the amount of heat Q supplied to the thermal heat pump in the evaporator area comes from the sun's rays; the amount of heat Q is dissipated by a coolant, for example not in one of the sun's rays exposed area, and the amount of heat Q 2 occurring in the useful condenser could be used to heat a useful medium.
  • the thermal heat pump according to the invention offers the advantages . Part of lower losses, a small and simple design and freedom from maintenance, which results in low acquisition and operating costs.
  • variable design of the cross section of the steam duct of the heat pipe can also be achieved in that the displacement body is omitted and instead the heat pipe is made variable in cross-section in accordance with the required duct configuration and thus the same flow effect is achieved as in the case of the exemplary embodiments described.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine thermische Wärmepumpe. welche aus einem Warmerohr (11) besteht. in welchem der zwischen der Wärmeubertragungszone zur Wärmezufuhr und der Warmeubertragungszone zur Wärmeabfuhr befindliche Dampfkanal (16) einen sich über seine Länge ändernden, die Stromungsgeschwindigkeit des Dampfes zunächst erhöhenden und dann erniedrigenden Querschnitt aufweist und bei welchem sich im Bereich der erhöhten Dampfgeschwindigkeit eine weitere Wärmeubertragungszone mit Wärmezufuhr oder -abfuhr befindet Die erhöhte Dampfgeschwindigkeit kann im Unterschallbereich oder im Ueberschallbereich liegen. Die Querschnittsänderung des Dampfkanals (16) im Wärmerohr (11) zwischen den beiden äusseren Wärmeübertragungszonen wird vorteilhafterweise durch einen Verdrängungskörper (13) mit bestimmter Oberflächenkontur bewirkt.

Description

  • Um Wärme von einem tieferen auf ein höheres Temperaturniveau zu heben, muß ein Kompensationsprozeß Anwendung finden, so daß die Gesamtentropie aller beteiligten Stoffe nicht abnimmt. Bei den bisher allgemein üblichen Wärmepumpen wird ein Kompensationsprozeß mit Arbeitsverbrauch angewandt; der Arbeitsverbrauch beruht auf dem Betrieb eines Kompressors.
  • Überlegungen haben dazu geführt, den Kompensationsprozeß auch durch Wärme anzutreiben, und zwar derart, daß bei einer mittleren Temperatur To Wärme eingespeist wird und diese sowohl bei einer tieferen Temperatur T als auch bei einer höheren Temperatur T2 wieder abgegeben wird. Eine derartige thermische Wärmepumpe, die Gegenstand der Erfindung ist, wird somit durch das Temperaturgefälle zwischen T und T1 angetrieben, wobei der thermische Wirkungsgrad sich aus folgender Beziehung errechnen läßt:
  • Figure imgb0001
    wobei Qo der aufgenommene Wärmestrom und Q2 der Nutzwärmestrom bei der Temperatur T2 ist.
  • Derart arbeitende thermische Wärmepumpen sind von großem Interesse zur Ausnutzung der durch Sonneneinstrahlung hervorgerufenen Temperaturdifferenzen, insbesondere zum Zwecke des Aufheizens von Wasser oder anderen Medien für Heizungszwecke, zur Bereitstellung von Warmwasser u.dgl.
  • Die erfindungsgemäß ausgebildete thermische Wärmepumpe besteht aus einem Wärmerohr, in welchem der zwischen der Wärmeübertragungszone zur Wärmezufuhr und der Wärmeübertragungszone zur Wärmeabfuhr befindliche Dampfkanal einen sich über seine Länge ändernden, die Strömungsgeschwindigkeit des Dampfes zunächst erhöhenden und dann erniedrigenden Querschnitt aufweist und sich im Bereich der erhöhten Dampfgeschwindigkeit eine weitere Wärmeübertragungszone mit Wärmezufuhr oder -abfuhr befindet.
  • Bei einer Ausführungsform des Gegenstands der Erfindung besteht die thermische Wärmepumpe aus einem Wärmerohr, in dessen Dampfkanal zwischen dem Wärmezufuhr- bzw. Verdampferbereich und dem Wärmeabfuhr- bzw. Nutzkondensatorbereich ein die Dampfgeschwindigkeit ändernder Verdrängungskörper angeordnet ist.
  • Der vor dem Verdrängungskörper befindliche Bereich ist der Verdampferbereich "V", in welchem bei einer mittleren Temperatur T der Wärmestrom Qo zugeführt wird. Der Bereich in etwa in der Mitte des Verdrängungskörpers ist der sogenannte Treibkondensatorbereich "TK", in welchem bei einer mittleren Temperatur T1' die unterhalb der Temperatur To liegt, ein Teil des Dampfes kondensiert, wobei der Wärmestrom Q1 abgeführt wird. Hinter dem Verdrängungskörper befindet sich der Nutzkondensatorbereich "NK", in welchem bei einer mittleren Temperatur T2 der Restdampf kondensiert und der Nutzwärmestrom Q2 abgegeben wird. Das im Treibkondensatorbereich "TK" und im Nutzkondensatorbereich "NK" anfallende Kondensat wird durch eine geeignete, an sich bekannte Kapillarstruktur, mit welcher die Innenwand des Wärmerohres in üblicher Weise ausgekleidet ist, zum Verdampferbereich "V" zurückgeführt.
  • Auch kann die Betriebsweise der vorbeschriebenen Ausführungsform der Wärmepumpe gemäß der Erfindung derart abgeändert werden, daß sie thermodynamisch umgekehrt wird, was dazu führt, daß der Treibkondensatorbereich dann zu einem zweiten Verdampferbereich wird. Dadurch kann eine relativ große Wärmemenge von einer tiefen Temperatur zu einer mittleren Temperatur transportiert werden.
  • Weitere Merkmale der erfindungsgemäßen thermischen Wärmepumpe gehen aus der nachfolgenden Beschreibung zweier bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie den Unteransprüchen hervor. Die beiden Figuren 1 und 2 der Zeichnungen zeigen in schematischer Darstellung eine thermische oder Dampfstrahl-Wärmepumpe mit Unterschallströmung im einen Falle und mit Überschallströmung im zweiten Falle.
  • Die Wärmepumpe für Unterschallströmung nach Fig. 1 besteht aus einem Wärmerohr 11, an dessen Innenwand eine Kapillarstruktur 12 angeordnet ist. Im Innenraum des Wärmerohres 11 befindet sich in gleichmäßigem Abstand von der Kapillarstruktur 12 der Verdrängungskörper 13, der in seinem vorderen Bereich 14 eine Form besitzt, daß zwischen ihm und der Kapillarstruktur 12 eine Düse 15 gebildet ist, in welcher sich der Querschnitt des Dampfkanals 16 verkleinert. Hinter der Düse verringert sich der Querschnitt des Dampfkanals 16 zwischen dem Mittelstück 17 des Verdrängungskörpers 13 und der Kapillarstruktur 12 infolge der Form des Verdrängungskörpers geringfügig. In diesem Bereich wird durch Kühlung ein Teil des Dampfes kondensiert. Der hiermit verbundene Druck- und Temperaturanstieg wird durch die Querschnittsabnahme des Dampfkanals im wesentlichen unterbunden. Der hintere Teil 18 des Verdrängungskörpers 13 ist kegelförmig ausgebildet, so daß sich der Querschnitt des Strömungskanals 16 dem Öffnungswinkel des Kegels entsprechend erweitert und einen Diffusor 19 bildet.
  • Vorteilhafterweise ist die Kapillarstruktur 12 im Bereich des Verdrängungskörpers 13 im Hinblick auf die hohen Druckunterschiede längs der Wärmepumpe mit einer dünnwandigen Abdeckung 20 versehen, die zur Vermeidung eines Abhebens infolge Unterdrucks ausreichend fest mit der Kapillarstruktur bzw. dem Rohrkörper des Wärmerohres 11 verbunden sein muß. Sie hat den Zweck, das anfallende Kondensat vermittels der Scherwirkung des Dampfstromes auf der Abdeckung zunächst in die Nutzkondensatorzone zu treiben, in welcher der Druck höher ist als in der Verdampferzone, wo er seinerseits höher ist als in der Treibkondensatorzone.
  • Die thermische Wärmepumpe mit Überschallströmung nach Fig.2 hat grundsätzlich den gleichen Aufbau wie diejenige nach Fig. 1. Der wesentliche Unterschied besteht darin, daß der Verdrängungskörper 13' derart geformt ist, daß die Düse 15' wie auch der Diffusor 19' einen konvergenten und einen divergenten Teil aufweisen, wobei der Übergang von der Unterschall- zur Überschallströmung an der engsten Stelle erfolgt.
  • Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen thermischen Wärmepumpe ist folgende:
    • Im Verdampfer 21 wird bei einer mittleren Temperatur T der Wärmestrom Qo zugeführt. In der durch den vorderen Teil des Verdrängungskörpers 13 gebildeten Düse 15 verkleinert sich der Querschnitt des Dampfkanals 16, wodurch der Dampf expandiert. Hierbei kühlt er sich ab und kondensiert teilweise im anschließenden Treibkondensator 22 bei einer mittleren Temperatur T1 < T0, wobei der Wärmestrom Q1 abgeführt wird. Die kinetische Energie des kondensierten Dampfes verbleibt im Restdampf, so daß dessen spezifische kinetische Energie ansteigt. Die üblicherweise in einem Kondensator in Strömungsrichtung auftretende Kompression mit entsprechendem Temperaturanstieg wird durch die Expansion des Dampfes im Treibkondensator 22 vermieden, und zwar durch entsprechende Verkleinerung des Dampfkanalquerschnitts. Im anschließenden Diffusor 19 wird der Dampf durch die Vergrößerung des Dampfkanalquerschnitts komprimiert, wobei sich dessen kinetische Energie in Druck umwandelt und die Temperatur des Dampfes ansteigt. Im sich an den Diffusor 19 anschließenden Nutzkondensator 23 wird bei einer mittleren Temperatur T2 der Restdampf kondensiert, wobei der Nutzwärmestrom Q2 abgegeben wird. Da die spezifische kinetische Energie des Dampfes beim Eintritt in den Diffusor 19 höher liegt als beim Austritt aus der Düse 15, können im Nutzkondensator 23 höhere Temperaturen als im Verdampfer 21 erzielt werden.
  • Das im Treibkondensator 22 und im Nutzkondensator 23 anfallende Kondensat wird über die Kapillarstruktur 12 an der Innenwand des Wärmerohres 11 zum Verdampfer 21 zurückgeführt.
  • Für eine thermische Wärmepumpe mit einer Wärmezufuhr von Qo = 1 kw ist folgende Dimensionierung vorzusehen:
    • Wärmeträger: H2 0
    • Wandmaterial: Cu
    • T0: 30° C --- T1: 25° C --- T2: 35° C
  • Dampfkanal-Querschnitt im Verdampfer: 6,7 cm2 Dampfkanal-Querschnitt am Ausgang Düse: 1,9 cm2 Dampfkanal-Querschnitt am Ausgang Treibkondensator: 1,0 cm2 Machzahl am Ausgang der Düse: 0,69
  • Machzahl am Ausgang des Treibkondensators: 0,97.
  • Die mit Unterschallströmung erreichbaren Temperaturdifferenzen betragen nur wenige Prozent der Absoluttemperatur, wie sich aus den vorstehenden Daten ergibt. Mit der thermischen Wärmepumpe mit Überschallströmung lassen sich größere Temperaturdifferenzen erzielen.
  • Es ist auch eine Ausführungsform der thermischen Wärmepumpe möglich, bei welcher eine Unterschalldüse nach Fig. 1 verwendet wird, der Übergang zur Überschallströmung im Treibkondensator erfolgt und anschließend ein Überschalldiffusor nach Fig. 2 benutzt wird.
  • Das Kondensat wird in bekannter Weise mittels der Kapillarstruktur an der Innenwand des Wärmerohres zum Verdampfer zurückgeführt. Die Rückführung erfolgt im wesentlichen aufgrund der Kapillarkräfte, die gegebenenfalls durch die Schwerkraft unterstützt werden können. Es ist aber auch möglich, wie erwähnt, zum Antrieb der Flüssigkeitsströmung in der Kapillarstruktur zusätzlich den höheren Druck im Nutzkondensator auszunutzen.
  • Weiterhin ist es möglich, den abgedeckten Teil der Kapillarstruktur im Inneren des Wärmerohres durch ein oder mehrere Röhrchen, Kanäle od.dgl. zu ersetzen, die gegebenenfalls auch auf der Außenseite des Wärmerohres angeordnet sein können, um die Dampfströmung möglichst wenig zu beeinträchtigen.
  • Zweckmäßigerweise wird der Verdrängungskörper im Innenraum des Wärmerohres auf einem axial angeordneten Tragstab gelagert, der vorzugsweise thermisch isoliert ausgebildet ist oder aus Wärme schlecht leitendem Material besteht.
  • Weiterhin kann es vorteilhaft sein, in der Nutzkondensatorzone und gegebenenfalls auch in der Verdampferzone in etwa kegelförmige Verdrängungskörper anzuordnen, deren Grundflächen den Stirnflächen des Wärmerohres zugekehrt sind.
  • Vorteilhafterweise verwendet man ein zylindrisches Wärmerohr mit Kapillarstruktur-Auskleidung und Abdeckung, in welchem ein Verdrängungskörper mit der gewünschten Querschnittsform angeordnet ist. Man kann selbstverständlich auch einen Verdrängungskörper verwenden, der zumindest in seinem mittleren Teil zylindrisch ausgebildet ist, so daß dann die Querschnitte des Dampfkanals in den verschiedenen Bereichen durch die Wände des Wärmerohres bestimmt sind. Diese Lösung ist jedoch weniger vorteilhaft. Die beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen haben wesentliche Vorteile, da Verluste durch Grenzschichtablösung im Treibkondensator und Diffusor und Temperaturverluste durch eine größere Wärmeübertragungsfläche im Treibkondensator vermieden werden; überdies sind die konstruktive Form und die Herstellbarkeit wesentlich einfacher sowie stabiler.
  • Bei einem praktischen Anwendungsbeispiel zum Zwecke optimaler Nutzbarmachung von Solarenergie könnte das Wärmerohr derart angeordnet sein, daß die der thermischen Wärmepumpe im Verdampferbereich zugeführte Wärmemenge Q von Sonnenstrahlen stammt; die Wärmemenge Q wird durch ein Kühlmittel abgeführt, beispielsweise in einem den Sonnenstrahlen nicht ausgesetzten Bereich, und die im Nutzkondensator anfallende Wärmemenge Q2 könnte zur Aufheizung eines Nutzmediums benutzt werden.
  • Die erfindungsgemäße thermische Wärmepumpe bietet den Vor- . teil geringerer Verluste, einer kleinen und einfachen Konstruktion sowie der Wartungsfreiheit, woraus sich geringe Anschaffungs- und Betriebskosten ergeben.
  • Schließlich kann die veränderliche Ausgestaltung des Querschnitts des Dampfkanals des Wärmerohrs auch dadurch erzielt werden, daß der Verdrängungskörper fortgelassen und statt dessen das Wärmerohr querschnittsmäßig entsprechend der erforderlichen Kanalkonfiguration veränderlich ausgebildet wird und somit die gleichen Strömungseffekt erzielt werden wie im Falle der beschriebenen Ausführungsbeispiele.

Claims (10)

1. Thermische Wärmepumpe, gekennzeichnet durch ein Wärmerohr, in welchem der zwischen der Wärmeübertragungszone zur Wärmezufuhr und der Wärmeübertragungszone zur Wärmeabfuhr befindliche Dampfkanal einen sich über seine Länge ändernden, die Strömungsgeschwindigkeit des Dampfes zunächst erhöhenden und dann erniedrigenden Querschnitt aufweist und daß sich im Bereich der erhöhten Dampfgeschwindigkeit eine weitere Wärmeübertragungszone mit Wärmezufuhr oder -abfuhr befindet.
2. Thermische Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Dampfkanal des Wärmerohrs zwischen dem Verdampferbereich und dem Nutzkondensatorbereich ein die Dampfgeschwindigkeit ändernder Verdrängungskörper angeordnet ist.
3. Thermische Wärmepumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Querschnittsfläche des Dampfkanals (16) längs des vorderen Teils (14) des Verdrängungskörpers (13) in Strömungsrichtung düsenartig verkleinert, längs des mittleren Teils (17) des Verdrängungskörpers (13) geringfügig verkleinert und längs des hinteren Teils (18) des Verdrängungskörpers (13) sich diffusorartig erweitert, wobei die Querschnittsänderungen des Dampfkanals derart bemessen sind, daß die Machzahl der Dampfströmung an jeder Stelle unterhalb 1,0 liegt.
4. Thermische Wärmepumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Querschnittsfläche des Dampfkanals längs des vorderen Teils des Verdrängungskörpers in Strömungsrichtung düsenartig verkleinert, längs des mittleren Teils des Verdrängungskörpers geringfügig vergrößert und längs des hinteren Teils des Verdrängungskörpers sich diffusorartig erweitert, wobei die Querschnittsänderungen des Dampfkanals derart bemessen sind, daß die Machzahl der Dampfströmung an jeder Stelle unterhalb 1,0 liegt.
5. Thermische Wärmepumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (15) und der Diffusor (19) jeweils aus einem konvergenten und einem divergenten Teil bestehen, wobei die Querschnittsänderungen des Dampfkanals (16) derart bemessen sind, daß die Machzahl des in den Bereich der erhöhten Dampfgeschwindigkeit (TK) eintretenden Dampfes über 1,0 liegt.
6. Thermische Wärmepumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (15) eine Unterschalldüse ist, daß die Querschnittsverhältnisse im Dampfkanal (16) derart bemessen sind, daß der Übergang von der Unterschallzur Überschallströmung im Bereich der erhöhten Dampfgeschwindigkeit (TK) erfolgt, und daß der Diffusor (Di) ein Überschalldiffusor ist.
7. Thermische Wärmepumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarstruktur (12) längs der Innenwand des Wärmerohres (11) in etwa über die Länge des Verdrängungskörpers (13) gegen den Dampfkanal (16) mit einer Abdekkung (20) versehen ist.
8. Thermische Wärmepumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in etwa im Bereich des Verdrängungskörpers (13) die Kapillarstruktur (12) ganz oder teilweise durch innerhalb oder außerhalb der Rohrwandung des Wärmerohrs (11) angeordnete Röhrchen, Kanäle od.dgl. ersetzt ist.
9. Thermische Wärmepumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängungskörper (13) auf einem thermisch isolierten axialen Haltestab gelagert ist.
10. Thermische Wärmepumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Nutzkondensatorberei (NK) und gegebenenfalls im Verdampferbereich (V) in etwa kegelförmige Verdrängungskörper angeordnet sind, deren Grundflächen den Stirnwänden des Wärmerohres (11) zugekehrt sind.
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