EP3087330A1 - Kraftwärmemaschine und verfahren zum betreiben einer kraftwärmemaschine - Google Patents

Kraftwärmemaschine und verfahren zum betreiben einer kraftwärmemaschine

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EP3087330A1
EP3087330A1 EP15704258.1A EP15704258A EP3087330A1 EP 3087330 A1 EP3087330 A1 EP 3087330A1 EP 15704258 A EP15704258 A EP 15704258A EP 3087330 A1 EP3087330 A1 EP 3087330A1
Authority
EP
European Patent Office
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fluid
collector
mixing
collecting device
collecting
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15704258.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Vladimir Danov
Florian REISSNER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP3087330A1 publication Critical patent/EP3087330A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B31/00—Compressor arrangements
    • F25B31/002—Lubrication
    • F25B31/004—Lubrication oil recirculating arrangements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/40—Mixing liquids with liquids; Emulsifying
    • B01F23/41—Emulsifying
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
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    • B01F25/40—Static mixers
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    • B01F25/4314—Straight mixing tubes with baffles or obstructions that do not cause substantial pressure drop; Baffles therefor with helical baffles
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    • B01F33/45—Magnetic mixers; Mixers with magnetically driven stirrers
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    • F25B30/02—Heat pumps of the compression type
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    • Y02P80/15—On-site combined power, heat or cool generation or distribution, e.g. combined heat and power [CHP] supply

Definitions

  • the invention relates to a power heating machine with a fluid-carrying circulation system with at least one evaporation device, by means of which the fluid is vaporized, with at least one compression device, by means of which the fluid is compressible, with at least one condensation device, by means of which the fluid is condensable, with a collecting device by means of which the fluid and a fluid which can be added to the fluid by means of the compression device can be collected, and with at least one expansion device, by means of which the fluid is expandable.
  • the invention also relates to a method for operating such a power heating machine.
  • the collector serves to buffer the fluid and the oil contained therein, so that liquid fluid always passes into an expansion valve connected downstream of the collector in the fluid flow direction (expansion device).
  • the collector can also be used to monitor operating fluctuations, load changes or temperatures. temperature changes are buffered on the heat source or heat sink side of the power heater. Such a collector is particularly necessary for systems with multiple evaporators.
  • the fluid used in the respective power plant should, in addition to other physical properties, have a density that is appropriate in comparison to the oil (compressor oil), and should be further miscible with the oil. This avoids that the fluid, for example, a larger
  • Object of the present invention is to provide a force heat engine of the type mentioned, and to provide a method for operating such a power heat engine, in which even at high densities of the fluids used in the power heat engine and their immiscibility is a particularly trouble-free operation. This task is accomplished by a power heater with the
  • the collecting device comprises a mixing device, by means of which the fluid and the further fluid can be mixed to form an emulsion are .
  • the use of such a mixing device produces as homogeneous a mixture as possible between the fluid used in the power heat engine, which serves as working fluid and the further fluid excreted, for example, by the compression device (eg compressor), which is formed, for example, as compressor oil.
  • the compression device eg compressor
  • the mixing device comprises the mixing device makes it possible to produce an emulsion of the disperse phase (further fluid) and the continuous phase (condensed and thus liquid fluid).
  • the fluid leaving the condensation device (condenser) and the further fluid are passed on to the collector as a particularly homogeneous emulsion.
  • the further fluid is formed as a compressor oil.
  • the homogeneous mixture of the fluid with the other fluid ensures particularly far-reaching that a lubricant undersupply of the compressor (the compressor) is avoided. In other words, therefore, a particularly uniform lubrication of the compressor is ensured by the homogeneously distributed in the fluid compressor oil.
  • the mixing device has a stirrer which is designed as a static mixer.
  • a stirrer is a particularly inexpensive and efficient way of mixing the fluid with the further fluid to form an emulsion, especially when the stirrer is designed as a static mixer.
  • the static mixer consists of flow influencing, e.g. a screw-forming elements which divide the fluid flow alternately and then merge again. In other words, therefore, their mixing is effected in a particularly efficient manner by the flow movement of the fluid and of the further fluid, and accordingly a particularly homogeneous emulsion with a particularly uniform distribution of very small drops of the further fluid in the fluid is produced.
  • the mixing device is e.g. formed as the recorded in a pipe piece static stirrer.
  • the collecting device has a magnetic stirrer.
  • Such a magnetic stirrer can be made particularly compact and thus be used in a particularly small space for the formation of the emulsion of the fluid and the other fluid.
  • the magnetic stirrer has a plurality of metallic wings.
  • the additional fluid is distributed particularly rapidly and particularly homogeneously in the fluid, wherein the magnetic stirrer and the metallic wings can approach, for example, to the edge of the collector and thus a particularly intensive stirring or circulating the mixture of the fluid and the further fluid can be achieved.
  • the metallic vanes are particularly simple and efficient turbulence generators for producing the homogeneous mixture in the form of the emulsion.
  • the collecting device has a magnetic coil arranged at its edge region, by means of which the magnetic stirrer can be rotated .
  • the magnetic stirrer can be rotated without contact, wherein a complex coupling of the magnetic stirrer with a mechanical drive unit, such as an electric motor, as well as a seal of respective coupling elements, for example, drive shafts, compared to a fluid outlet is superfluous.
  • the border area corresponds to e.g. the outer wall (or outer circumferential surface) of a container receiving the fluid and the further fluid, which is e.g. is designed as a collector and in which the magnetic stirrer is received.
  • the collecting device on a collector, which is formed of a non-magnetic material.
  • the collector corresponds to a receptacle of the collecting device in which the fluid and the further fluid emerging from the condensation device are collected and buffered for further use. If the collector is made A non-magnetic material (eg, non-magnetic stainless steel) is formed, and a magnetic stirrer which is driven by a solenoid can be used particularly efficiently and without interference (by the collector) of a magnetic field constituted by the magnetic coil.
  • Kraftbirmaschine with a fluid this fluid is evaporated by means of at least one evaporation device, compressed by means of a compression device, condensed by means of at least one condensation device and collected by a collector comprising a collector together with a fluid added to the fluid by means of the compression device further fluid, and the fluid by means of a Ex- expansion facility expands.
  • the collecting device comprises a mixing device for mixing the fluid with the further fluid to form an emulsion.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a heat pump cycle system as an example of a cogeneration machine, wherein a prior art collector is used to collect a fluid and another fluid which is formed as compressor oil;
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a heat pump cycle system as an example of a cogeneration machine, wherein a prior art collector is used to collect a fluid and another fluid which is formed as compressor oil;
  • FIG. 2 shows a known from the prior art embodiment, wherein for emptying of the collector, a hot gas bypass leads from a pressure side of a compression device formed as a compressor in the collector;
  • 3 shows a schematic representation of a circulatory system of a present invention as a heat pump force heat engine, wherein a collecting means of the power plant has a designed as a static mixer mixing means according to the invention, by means of which an emulsion of the fluid and the other fluid can be produced; a further schematic representation of another embodiment of the collecting device, wherein the mixing device according to the invention in this case comprises a magnetic stirrer with metallic wings and arranged on an edge region of the collecting means magnetic coil.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a power heating machine 1, which is presently designed as a heat pump.
  • the power heating machine 1 forms an evaporator formed evaporation device 3 together with a designed as a compressor or compressor compression device 4, as well as with a condenser formed as a condenser 5 and an expansion valve as expansion device 7 a circulatory system 2.
  • the circulatory system 2 includes a not further illustrated piping system in which a Fluid 16 is guided.
  • the fluid 16 corresponds to a fluid used in the power heat engine 1, which is subjected to evaporation, compression, condensation and subsequent expansion.
  • This additional fluid 17 in this case corresponds to compressor oil, which as
  • Lubricant is used to maintain trouble-free operation of the compression device 4.
  • Circulation system 2 of the power heating machine 1 is not desirable, but can not be completely avoided.
  • the fluid 16 and the additional fluid 17 added to the fluid 16 by means of the compression device 4 are moved in the circulatory system 2 of the power heating machine 1 in accordance with a fluid flow direction 10 illustrated with an arrow.
  • the power heating machine 1 comprises a collecting device 6 with a collector 9.
  • the collector 9 serves to buffer the fluid 16, so that always fluid fluid 16 in the expansion valve, so the Expansion device 7, passes.
  • the other fluid 17 flows by itself in the collector 9 down to the expansion device 7, ie to the expansion valve.
  • fluids 16 e.g., R134a
  • Due to the miscibility floating compressor oil is dissolved in the fluid 16 and can flow with this to the expansion valve.
  • FIG. 2 shows, with reference to a further schematic representation of the power heating machine 1, a hot gas bypass 18 which connects one pressure side of the compression device 4 to the collector 9.
  • the pressure side corresponds to a point in the circulation system 2 in the fluid flow direction 10 behind the compression device 4 and before the condenser 5.
  • further fluid 17 compressor oil
  • the collecting device 6 comprises a mixing device 8, by means of which the fluid 16 and the other Fluid 17 are mixable into an emulsion.
  • the mixing device 8 shown in FIG. 3 has a stirrer 11 designed as a static mixer, which is arranged in front of the collecting device 6 in the direction of fluid flow.
  • the fluid 16 emerging from the condensation device 5 and the further fluid 17 by means of the mixing device 8 become an emulsion of a disperse phase consisting of the further fluid 17 (compressor oil) and a continuous phase consisting of the resulting the previous condensation liquid fluid 16 stirred.
  • the oil droplets of the further fluid 17 are therefore distributed particularly finely by means of the mixing device 8 in the fluid 16.
  • the mixing device 8 can be designed to be particularly simple and accordingly comprise a straight piece of pipe in which the stirrer 11 rotates according to a rotational movement 21 marked by an arrow.
  • a more or less pronounced distribution, and consequently a more or less strong stirring is dependent on the subsequent residence time of the emulsion in the collector 9 required by the stirrer 11 of the mixing device 8.
  • the collecting device 6 has a magnetic stirrer 12 with a plurality of metallic wings 13. Furthermore, the collecting device 6 has a magnetic coil 15 arranged at its edge region 14, by means of which the magnetic stirrer 12 is rotatable in accordance with the rotational movement 21.
  • the edge region 14 corresponds to the outer surface of the container wall of the collector 9.
  • the magnetic stirrer 12 is installed in the collector 9, that is to say the container or storage container, and is rotated by a traveling field of the magnetic coil 15. To a drive of the magnetic stirrer 12 by means of the magnetic coil 15th to ensure the collector 9 is formed of a non-magnetic material.
  • the embodiment presented in FIG. 3 does not require any additional components, such as, for example, the magnetic coil 15, but reaches its limits for collectors 9, in which the emulsion is to be stored over a longer residence time.
  • FIG 4 presented embodiment with the magnetic coil 15 is particularly suitable.
  • an active mixing of the two fluids 16, 17 is therefore desired by means of the stirrer 11. Due to the formation of emulsions by means of the mixing device 8, fluids 16 can be used independently of their density and their mixing behavior with the respective further fluid 17 in the power heating machine 1, whereby an interruption of the heat output at the condensation device 5 or complex maintenance work is omitted.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kraftwärmemaschine (1) mit einem ein Fluid (16) führenden Kreislaufsystem (2) mit wenigstens einer Verdampfungseinrichtung (3), mittels welcher das Fluid (16) verdampfbar ist, mit wenigstens einer Verdichtungsein- richtung (4), mittels welcher das Fluid (16) verdichtbar ist, mit wenigstens einer Kondensationseinrichtung (5), mittels welcher das Fluid (16) kondensierbar ist, mit einer Sammel- einrichtung (6), mittels welcher das Fluid (16) und ein dem Fluid (16) mittels der Verdichtungseinrichtung (4) zusetzba- res, weiteres Fluid (17) sammelbar ist und mit wenigstens einer Expansionseinrichtung (7), mittels welcher das Fluid (16) expandierbar ist. Die Sammeleinrichtung (6) umfasst eine Mischeinrichtung (8), mittels welcher das Fluid (16) und das weitere Fluid (17) zu einer Emulsion vermischbar sind. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Kraftwärmemaschine (1).

Description

Beschreibung
Kraftwärmemaschine und Verfahren zum Betreiben einer Kraft- wärmemaschine
Die Erfindung betrifft eine Kraftwärmemaschine mit einem ein Fluid führenden Kreislaufsystem mit wenigstens einer Verdampfungseinrichtung, mittels welcher das Fluid verdampfbar ist, mit wenigstens einer Verdichtungseinrichtung, mittels welcher das Fluid verdichtbar ist, mit wenigstens einer Kondensationseinrichtung, mittels welcher das Fluid kondensierbar ist, mit einer Sammeleinrichtung, mittels welcher das Fluid und ein dem Fluid mittels der Verdichtungseinrichtung zusetzbares, weiteres Fluid sammelbar ist, und mit wenigstens einer Expansionseinrichtung, mittels welcher das Fluid expandierbar ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Kraftwärmemaschine.
In Kraftwärmemaschinen, zu denen Wärmepumpen und Kältemaschi- nen gehören, wird unter Einsatz mechanischer Energie Wärmeenergie von einem niedrigeren Temperaturniveau auf ein höheres Temperaturniveau angehoben. Sowohl in Kältemaschinen als auch Wärmepumpen werden üblicherweise ölgeschmierte Kompressoren zum Verdichten eines Fluids eingesetzt. Nach dem Ver- dichten und vor dem Kondensieren des Fluids in einem Kondensator werden Ölabscheider eingesetzt, welche aus einem Kompressor bzw. einer anderen Verdichtungseinrichtung austretendes Öl von dem Fluid separieren, wobei anschließend das mitgerissene Öl zurück in den Kompressor geführt wird. Eine vollständige Abscheidung ist generell nicht möglich, so dass ein Teil des mitgerissenen Öls auch in einen Kondensator der Kältemaschine bzw. Wärmepumpe gelangt. Speziell bei größeren Anlagen (> 20 kW) wird nach dem Kondensator ein Sammler eingebaut. Dieser dient dazu, das Fluid sowie das darin enthal- tene Öl zu puffern, so dass stets flüssiges Fluid in ein dem Sammler in Fluidströmungsrichtung nachgeschaltetes Expansionsventil (Expansionseinrichtung) gelangt. Mittels des Sammlers können auch Betriebsschwankungen, Lastwechsel oder Tem- peraturänderungen auf der Wärmequellen- oder Wärmesenkenseite der Kraftwärmemaschine gepuffert werden. Ein derartiger Sammler ist besonders bei Anlagen mit mehreren Verdampfern notwendig .
Allerdings sollte das in der jeweiligen Kraftwärmemaschine eingesetzte Fluid neben weiteren physikalischen Eigenschaften eine im Vergleich zum Öl (Kompressorenöl ) geeignete Dichte aufweisen und des Weiteren mit dem Öl mischbar sein. Dadurch wird vermieden, dass das Fluid beispielsweise eine größere
Dichte als das Öl aufweist, und somit das Öl im Sammler aufschwimmen, sich langfristig dort sammeln und nicht in den Kompressor zurückgelangen würde. Durch den Einsatz von Fluiden (z. B. R134a) , welche mit dem Kompressorenöl mischbar sind, wird aufschwimmendes Öl im Fluid gelöst und kann mit dem Fluid zum Expansionsventil fließen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kraftwärmemaschine der eingangs genannten Art, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Kraftwärmemaschine zu schaffen, bei welchem auch bei großen Dichten der in der Kraftwärmemaschine verwendeten Fluide sowie deren Nichtmischbarkeit ein besonders störungsfreier Betrieb erfolgt. Diese Aufgabe wird durch eine Kraftwärmemaschine mit den
Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Um auch solche Fluide in der Kraftwärmemaschine einsetzen zu können, welche große Dichteunterschiede zueinander und zusätzlich oder alternativ eine Nichtmischbarkeit zueinander aufweisen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Sam- meleinrichtung eine Mischeinrichtung umfasst, mittels welcher das Fluid und das weitere Fluid zu einer Emulsion vermischbar sind . Durch den Einsatz einer solchen Mischeinrichtung wird eine möglichst homogene Mischung zwischen dem in der Kraftwärmemaschine eingesetzten Fluid, welches als Arbeitsfluid dient und dem beispielsweise von der Verdichtungseinrichtung (z.B. Kom- pressor) ausgeschiedenen, weiteren Fluid, welches beispielsweise als Kompressorenöl gebildet ist hergestellt. Mittels der Mischeinrichtung wird also eine besonders gleichmäßige Verteilung des weiteren Fluids in dem Fluid erreicht, selbst wenn sich das Fluid und das weitere Fluid hinsichtlich ihrer Dichte deutlich voneinander unterscheiden, also das Fluid eine deutlich höhere oder auch niedrigere Dichte als das weitere Fluid aufweist, bzw. selbst wenn das weitere Fluid nicht mit dem Fluid mischbar ist. Mit anderen Worten ist es also dadurch, dass die Sammeleinrichtung die Mischeinrichtung um- fasst möglich, eine Emulsion aus der dispersen Phase (weiteres Fluid) und der kontinuierlichen Phase (kondensiertes und damit flüssiges Fluid) zu erzeugen. Durch das Herstellen dieser Emulsion können fein verteilte Öltröpfchen des Kompressorenöls zusammen mit dem Fluid zum Expansionsventil gelangen, wodurch besonders wirksam selbst bei erheblichen Dichteunterschieden zwischen dem Fluid und dem weiteren Fluid eine homogene Verteilung der beiden Fluide in der Emulsion erreicht wird. Somit können also einerseits konzentrationsbedingte Betriebsschwankungen infolge einer schlechten, bzw. inhomogenen Durchmischung des Fluids mit dem weiteren Fluids der Kraftwärmemaschine, als auch eine SchmierstoffUnterversorgung des Kompressors (Verdichtungseinrichtung) besonders weitgehend vermieden werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die
Mischeinrichtung in Fluidstromungsrichtung vor der Sammeleinrichtung angeordnet .
Durch das Vorschalten der Mischeinrichtung vor der Sammelein- richtung, wird das aus der Kondensationseinrichtung (Kondensator) austretende Fluid sowie das weitere Fluid als besonders homogene Emulsion an den Sammler weitergeleitet. Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn das weitere Fluid als Kompressorenöl gebildet ist.
Durch die homogene Mischung des Fluids mit dem weiteren Fluid (Kompressorenöl) wird besonders weitreichend sichergestellt, dass eine Schmierstoffunterversorgung der Verdichtungseinrichtung (des Kompressors) vermieden wird. Mit anderen Worten wird also durch das homogen in dem Fluid verteilte Kompressorenöl eine besonders gleichmäßige Schmierung des Kompressors gewährleistet.
Von weiterem Vorteil ist es, wenn die Mischeinrichtung einen Rührer aufweist, welcher als statischer Mischer ausgebildet ist .
Ein Rührer stellt eine besonders kostengünstige und effiziente Möglichkeit zum Mischen des Fluids mit dem weiteren Fluid unter Bildung einer Emulsion dar, insbesondere wenn der Rührer als statischer Mischer ausgebildet ist. Der statische Mi- scher besteht aus Strömungsbeeinflussenden, z.B. eine Schraubenform bildenden Elementen, welche den Fluidstrom abwechselnd aufteilen und dann wieder zusammenführen. Mit anderen Worten wird also durch die Strömungsbewegung des Fluids und des weiteren Fluids deren Vermischung in besonders effizien- ter Weise bewirkt und demnach eine besonders homogene Emulsion mit besonders gleichmäßiger Verteilung kleinster Tropfen des weiteren Fluids in dem Fluid hergestellt. Die Mischeinrichtung ist z.B. als der in einem Rohrstück aufgenommene statische Rührer ausgebildet.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung weist die Sammeleinrichtung einen magnetischen Rührer auf.
Ein derartiger magnetischer Rührer kann besonders kompakt ausgebildet sein und somit auf besonders engem Raum zur Bildung der Emulsion aus dem Fluid und dem weiteren Fluid herangezogen werden. Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn der magnetische Rührer mehrere metallische Flügel aufweist.
Durch den Einsatz der metallischen Flügel wird das weitere Fluid besonders rasch und besonders homogen in dem Fluid verteilt, wobei der magnetische Rührer sowie die metallischen Flügel beispielsweise zum Rand der Sammeleinrichtung heranreichen können und somit ein besonders intensives Rühren bzw. Umwälzen der Mischung aus dem Fluid und dem weiteren Fluid erreicht werden kann. Die metallischen Flügel stellen also mit anderen Worten besonders einfache und effiziente Turbulenzerzeuger zum Herstellen des homogenen Gemischs in Form der Emulsion dar. Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Sammeleinrichtung eine an ihrem Randbereich angeordnete Magnetspule aufweist, mittels welcher der magnetische Rührer rotierbar ist . Mittels der Magnetspule kann der magnetische Rührer berührungslos rotiert werden, wobei eine aufwendige Kopplung des magnetischen Rührers mit einer mechanischen Antriebseinheit, wie beispielsweise einem Elektromotor, sowie eine Dichtung jeweiliger Koppelelemente, zum Beispiel Antriebswellen, ge- genüber einem Fluidaustritt überflüssig ist. Der Randbereich entspricht dabei z.B. der Außenwand (bzw. Außenmantelfläche) eines das Fluid und das weitere Fluid aufnehmenden Behälters, welcher z.B. als Sammler ausgebildet ist und in welchem der magnetische Rührer aufgenommen ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Sammeleinrichtung einen Sammler auf, welcher aus einem unmagnetischen Material gebildet ist. Der Sammler entspricht einem Behältnis der Sammeleinrichtung, in welchem das Fluid sowie das weitere Fluid, welche aus der Kondensationseinrichtung austreten, gesammelt und für den weiteren Gebrauch gepuffert werden. Wird der Sammler aus ei- nem unmagnetischen Material (z.B. unmagnetischer Edelstahl) gebildet, so kann auch ein magnetischer Rührer, welcher durch eine Magnetspule angetrieben wird, besonders effizient und ohne Störung (durch den Sammler) eines durch die Magnetspule aufgebauten Magnetfelds verwendet werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer
Kraftwärmemaschine mit einem Fluid wird dieses Fluid mittels wenigstens einer Verdampfungseinrichtung verdampft, mittels einer Verdichtungseinrichtung verdichtet, mittels wenigstens einer Kondensationseinrichtung kondensiert sowie mittels einer einen Sammler umfassenden Sammlereinrichtung zusammen mit einem dem Fluid mittels der Verdichtungseinrichtung zugesetzten weiteren Fluid gesammelt, und das Fluid mittels einer Ex- pansionseinrichtung expandiert. Die Sammeleinrichtung umfasst eine Mischeinrichtung zum Vermischen des Fluids mit dem weiteren Fluid unter Bildung einer Emulsion.
Durch die Bildung der möglichst homogenen Emulsion aus dem Fluid und den weiteren Fluid werden konzentrationsbedingte
Betriebsschwankungen der Kraftwärmemaschine besonders weitgehend unterbunden, wobei zusätzlich eine besonders gleichmäßige und kontinuierliche SchmierstoffVersorgung der Verdichtungseinrichtung sichergestellt wird.
Die für die erfindungsgemäße Kraftwärmemaschine beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und
Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kom- binationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Figuren. gen in: eine schematische Darstellung eines Kreislaufsystems einer Wärmepumpe als Beispiel für eine Kraftwärmemaschine, wobei ein aus dem Stand der Technik bekannter Sammler zum Sammeln eines Fluids sowie eines weiteren Fluids, welches als Kompressorenöl gebildet ist, verwendet wird;
FIG 2 eine aus dem Stand der Technik bekannte Ausführungsform, wobei zum Entleeren des Sammlers ein Heißgas-Bypass von einer Druckseite einer als Kompressor gebildeten Verdichtungseinrichtung in den Sammler führt; FIG 3 eine schematische Darstellung eines Kreislaufsystems einer vorliegend als Wärmepumpe ausgebildeten Kraftwärmemaschine, wobei eine Sammeleinrichtung der Kraftwärmemaschine eine als statischen Mischer ausgebildete, erfindungsgemäße Mischeinrichtung aufweist, mittels welcher eine Emulsion aus dem Fluid und dem weiteren Fluid hergestellt werden kann; eine weitere schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Sammeleinrichtung, wobei die erfindungsgemäße Mischeinrichtung vorliegend einen magnetischen Rührer mit metallischen Flügeln sowie eine an einem Randbereich der Sammeleinrichtung angeordnete Magnetspule umfasst.
FIG 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Kraftwärmemaschine 1, welche vorliegend als Wärmepumpe ausgebildet ist. In der Kraftwärmemaschine 1 bildet eine als Verdampfer ausgebildete Verdampfungseinrichtung 3 zusammen mit einer als Kompressor bzw. Verdichter ausgebildeten Verdichtungseinrichtung 4, sowie mit einer als Kondensator ausgebildeten Kondensationseinrichtung 5 und einer als Expansionsventil ausgebil- deten Expansionseinrichtung 7 ein Kreislaufsystem 2. Das Kreislaufsystem 2 beinhaltet ein hier nicht weiter dargestelltes Rohrsystem, in welchem ein Fluid 16 geführt wird. Das Fluid 16 entspricht dabei einem in der Kraftwärmemaschine 1 verwendeten Fluid, welches einer Verdampfung, einer Ver- dichtung, einer Kondensation und einer anschließenden Expansion unterworfen wird. Üblicherweise kommt es zu einer Ab- scheidung von einem weiteren Fluid 17 aus der Verdichtungseinrichtung 4 beim Betrieb derselben. Dieses weitere Fluid 17 entspricht dabei vorliegend Kompressorenöl , welches als
Schmiermittel zur Aufrechterhaltung eines störungsfreien Betriebs der Verdichtungseinrichtung 4 verwendet wird. Das Ausscheiden des weiteren Fluids 17 (Kompressorenöl) in das
Kreislaufsystem 2 der Kraftwärmemaschine 1 ist zwar nicht erwünscht, kann jedoch nicht gänzlich vermieden werden. Das Fluid 16 sowie das dem Fluid 16 mittels der Verdichtungseinrichtung 4 zugesetzte weitere Fluid 17 wird entsprechend einer mit einem Pfeil verdeutlichten Fluidstromungsrichtung 10 in dem Kreislaufsystem 2 der Kraftwärmemaschine 1 bewegt. Um eine Schmierölunterversorgung der Verdichtungseinrichtung, also des Kompressors bzw. Verdichters zu vermeiden, umfasst die Kraftwärmemaschine 1 eine Sammeleinrichtung 6 mit einem Sammler 9. Der Sammler 9 dient dabei zum Puffern des Fluids 16, so dass stets flüssiges Fluid 16 in das Expansionsventil, also die Expansionseinrichtung 7, gelangt. Dies ist auch bei Betriebsschwankungen, Lastwechseln oder Temperaturänderungen auf der Wärmequellen- oder Wärmesenkenseite der Kraftwärmemaschine 1 sichergestellt, sofern das Fluid 16 und das weitere Fluid 17 miteinander mischbar sind und das Fluid 16 eine ge- ringere oder gleich hohe Dichte wie das weitere Fluid 17 aufweist. Nur dann ist sichergestellt, dass das weitere Fluid 17 nicht im Sammler 9 oben (auf dem Fluid 16) aufschwimmt, sondern über die Expansionseinrichtung 7 zurück zur Verdich- tungseinrichtung 4 gelangt. Um einen störungsfreien Betrieb der Kraftwärmemaschine 1 gemäß der aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungsform in FIG 1 zu gewährleisten, sollte also das eingesetzte Fluid 16 eine geringere Dichte als das weitere Fluid 17 (Kompressorenöl ) aufweisen. Ist dies der
Fall, so fließt das weitere Fluid 17 von selbst im Sammler 9 nach unten zur Expansionseinrichtung 7, also zum Expansionsventil. Dem Stand der Technik entsprechend ist es also erforderlich, Fluide 16 (z.B. R134a) einzusetzen, die mit dem wei- teren Fluid 17 mischbar sind. Durch die Mischbarkeit wird aufschwimmendes Kompressorenöl im Fluid 16 gelöst und kann mit diesem zum Expansionsventil fließen.
Die nachfolgend beschriebenen Figuren enthalten auch Merkma- le, welche bereits anhand von FIG 1 erläutert wurden, weshalb im Folgenden nicht erneut darauf eingegangen wird.
FIG 2 zeigt anhand einer weiteren schematischen Darstellung der Kraftwärmemaschine 1 einen Heißgas-Bypass 18, welcher ei- ne Druckseite der Verdichtungseinrichtung 4 mit dem Sammler 9 verbindet. Die Druckseite entspricht dabei einer Stelle im Kreislaufsystem 2 in Fluidströmungsrichtung 10 hinter der Verdichtungseinrichtung 4 und vor der Kondensationseinrichtung 5. Infolge einer direkten Fluiddampfbeaufschlagung mit dem komprimierten Fluid 16 sowie dem darin mitgeführten weiteren Fluid 17 (Kompressorenöl) wird die in dem Sammler 9 enthaltene Mischung aus dem Fluid 16 und dem weiteren Fluid 17 entsprechend einer durch einen Pfeil gekennzeichneten Richtung 19 entleert, und im Anschluss daran das weitere Fluid 17, welches von dem Fluid 16 getrennt wird, wiederum der Verdichtungseinrichtung 4 zugeführt. Während der Heißgas- Bypass 18 aktiv ist und dementsprechend das verdichtete Gemisch aus dem Fluid 16 und dem weiteren Fluid 17 von der Druckseite der Verdichtungseinrichtung 4 in den Sammler 9 ge- fördert wird, findet keine Kondensation und somit keine Wärmeabgabe statt. Mit anderen Worten ist also während der Entleerung des Sammlers 9 in Folge der Fluiddampfbeaufschlagung unter Vermittlung des Heißgas-Bypasses 18 die Kondensations- einrichtung 5, also der Kondensator, stillgelegt. Dementsprechend sind jeweilige Leitungen 20, mittels welcher die Kondensationseinrichtung 5 mit der Verdichtungseinrichtung 4 bzw. mit der Sammeleinrichtung 6 verbunden ist, während der Fluiddampfbeaufschlagung nicht von der Mischung aus dem Fluid 16 und dem weiteren Fluid 17 durchströmt. Diese Lösung ist sehr umständlich und ineffizient, da trotz laufender Verdichtungseinrichtung 4 keine Wärmeabgabe über die Kondensations- einrichtung 5 erfolgt und zum anderen die mit dem Heißgas- Bypass 18 ausgestatte Kraftwärmemaschine 1 einen hohen War- tungs- und Kontrollaufwand erfordert. Der Kontrollaufwand ist beispielsweise deswegen erhöht, da zu überwachen ist, wann der Sammler 9 entleert ist und dementsprechend die Fluiddampfbeaufschlagung im entleerten Zustand wieder beendet und damit die Kondensationseinrichtung 5 durchströmt werden kann. Die Entleerung des Sammlers 9 ist insbesondere deshalb zu überwachen, da die Gefahr einer zu hohen Temperaturbeaufschlagung des Sammlers 9 besteht, wenn dieser über einen längeren Zeitraum leer ist.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungsformen sind ungeeignet, sobald als das Fluid 16 ein Betriebsmittel eingesetzt wird, welches eine höhere Dichte als das weitere Fluid 17 (Kompressorenöl ) und zusätzlich oder alternativ eine Nichtmischbarkeit mit dem weiteren Fluid 17 aufweist, da dann ein Zurückführen des weiteren Fluids 17 zur Verdichtungseinrichtung 4 nicht sichergestellt werden kann.
Um auch solche Betriebsmittel als das Fluid 16 einsetzen zu können, welche eine höhere Dichte als das weitere Fluid 17, welches vorliegend einem Kompressorenöl entspricht, bzw. eine Nichtmischbarkeit mit dem weiteren Fluid 17 aufweisen, sind Ausführungsformen wie sie nachfolgend anhand von FIG 3 und FIG 4 dargestellt sind besonders geeignet.
In den in FIG 3 und FIG 4 gezeigten, beispielhaften Ausführungsformen umfasst die Sammeleinrichtung 6 eine Mischeinrichtung 8, mittels welcher das Fluid 16 und das weitere Fluid 17 zu einer Emulsion vermischbar sind. Die in FIG 3 gezeigte Mischeinrichtung 8 weist einen als statischen Mischer ausgebildeten Rührer 11 auf, welcher in Fluidströmungsrich- tung 10 vor der Sammeleinrichtung 6 angeordnet ist. Mit ande- ren Worten wird also das aus der Kondensationseinrichtung 5 austretende Fluid 16 sowie das weitere Fluid 17 mittels der Mischeinrichtung 8 zu einer Emulsion aus einer dispersen Phase, bestehend aus dem weiteren Fluid 17 (Kompressorenöl) und einer kontinuierlichen Phase, bestehend aus dem infolge der vorangegangenen Kondensation flüssigen Fluid 16 verrührt. Die Öltröpfchen des weiteren Fluids 17 werden also besonders fein mittels der Mischeinrichtung 8 in dem Fluid 16 verteilt. In diesem Zustand werden die fein verteilten Öltröpfchen zusammen mit dem Fluid 16 zum Expansionsventil, also zur Expansi- onseinrichtung 7 weitergeleitet. Die Mischeinrichtung 8 kann besonders einfach ausgeführt sein und dementsprechend ein gerades Rohrstück in welchem der Rührer 11 entsprechend einer durch einen Pfeil gekennzeichneten Rotationsbewegung 21 rotiert, umfassen. Um eine Verteilung besonders feiner Öl- tröpfchen (des weiteren Fluids 17) in dem Arbeitsfluid (Fluid 16) zu erreichen, ist abhängig von der anschließenden Verweilzeit der Emulsion im Sammler 9 eine mehr oder weniger starke Verteilung, und infolgedessen eine mehr oder weniger starke Verrührung durch den Rührer 11 der Mischeinrichtung 8 erforderlich.
In dem in FIG 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist in der Kraftwärmemaschine 1 vorgesehen, dass die Sammeleinrichtung 6 einen magnetischen Rührer 12 mit mehreren metallischen Flü- geln 13 aufweist. Des Weiteren weist die Sammeleinrichtung 6 eine an ihrem Randbereich 14 angeordnete Magnetspule 15 auf, mittels welcher der magnetische Rührer 12 entsprechend der Rotationsbewegung 21 rotierbar ist. Der Randbereich 14 entspricht vorliegend der Außenfläche der Behälterwand des Samm- lers 9. Der magnetische Rührer 12 ist hierbei in den Sammler 9, also den Behälter bzw. Speicherbehälter eingebaut und wird durch ein Wanderfeld der Magnetspule 15 rotiert. Um einen Antrieb des magnetischen Rührers 12 mittels der Magnetspule 15 zu gewährleisten, ist der Sammler 9 aus einem unmagnetischen Material gebildet.
Die in FIG 3 vorgestellte Ausführungsform kommt ohne zusätz- liehe Komponenten wie beispielsweise die Magnetspule 15 aus, stößt jedoch an ihre Grenzen für Sammler 9, in welchen die Emulsion über eine längere Verweilzeit hinweg gespeichert werden soll. Um auch bei längeren Verweilzeiten der Emulsion aus dem Fluid 16 und dem weiteren Fluid 17 eine Entmischung der beiden Fluide 16, 17 zu unterbinden, ist die anhand von
FIG 4 vorgestellte Ausführungsform mit der Magnetspule 15 besonders geeignet.
In der Mischeinrichtung 8 wird also mittels des Rührers 11 eine aktive Vermischung der beiden Fluide 16, 17 angestrebt. Durch die Emulsionsbildung mittels der Mischeinrichtung 8 können Fluide 16 unabhängig von ihrer Dichte und ihrem Mischungsverhalten mit dem jeweiligen weiteren Fluid 17 in der Kraftwärmemaschine 1 eingesetzt werden, wobei eine Unterbre- chung der Wärmeabgabe an der Kondensationseinrichtung 5 oder aufwändige Wartungsarbeiten entfallen.

Claims

Patentansprüche
1. Kraftwärmemaschine (1) mit einem ein Fluid (16) führenden Kreislaufsystem (2) mit wenigstens einer Verdampfungseinrich- tung (3) , mittels welcher das Fluid (16) verdampfbar ist, mit wenigstens einer Verdichtungseinrichtung (4), mittels welcher das Fluid (16) verdichtbar ist, mit wenigstens einer Kondensationseinrichtung (5), mittels welcher das Fluid (16) kondensierbar ist, mit einer Sammeleinrichtung (6), mittels wel- eher das Fluid (16) und ein dem Fluid (16) mittels der Verdichtungseinrichtung (4) zusetzbares, weiteres Fluid (17) sammelbar ist, und mit wenigstens einer Expansionseinrichtung (7) mittels welcher das Fluid (16) expandierbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Sammeleinrichtung (6) eine Mischeinrichtung (8) umfasst, mittels welcher das Fluid (16) und das weitere Fluid (17) zu einer Emulsion vermischbar sind.
2. Kraftwärmemaschine (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Mischeinrichtung (8) in Fluidströmungsrichtung (10) vor der Sammeleinrichtung (6) angeordnet ist.
3. Kraftwärmemaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das weitere Fluid (17) als Kompressorenöl gebildet ist.
4. Kraftwärmemaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
die Mischeinrichtung (8) einen Rührer (11) aufweist, welcher als statischer Mischer ausgebildet ist.
5. Kraftwärmemaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
die Sammeleinrichtung (6) einen magnetischen Rührer (12) aufweist .
6. Kraftwärmemaschine (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass
der magnetische Rührer (12) mehrere metallische Flügel (13) aufweist .
7. Kraftwärmemaschine (1) nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Sammeleinrichtung (6) eine an ihrem Randbereich (14) angeordnete Magnetspule (15) aufweist, mittels welcher der magnetische Rührer (12) rotierbar ist.
8. Kraftwärmemaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
die Sammeleinrichtung (6) einen Sammler (9) aufweist, welcher aus einem unmagnetischen Material gebildet ist.
9. Verfahren zum Betreiben einer Kraftwärmemaschine (1) mit den Schritten:
Verdampfen eines Fluids (16) mittels wenigstens einer Verdampfungseinrichtung (3),
Verdichten des Fluids (16) mittels wenigstens einer Verdichtungseinrichtung (4),
Kondensieren des Fluids (16) mittels wenigstens einer Kondensationseinrichtung (5) ,
Sammeln des Fluids (16) sowie eines dem Fluid mittels der Verdichtungseinrichtung (4) zugesetzten, weiteren Fluids (17) mittels einer einen Sammler (9) umfassenden Sammel- einrichtung (6), und
Expandieren des Fluids (16) mittels einer Expansionseinrichtung (7)
dadurch gekennzeichnet, dass
die Sammeleinrichtung (6) eine Mischeinrichtung (8) zum Vermischen des Fluids (16) mit dem weiteren Fluid (17) unter Bildung einer Emulsion umfasst.
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