WO1986003577A1

WO1986003577A1 - Refrigerating machine or heat pump with a jet pump as the compressor

Info

Publication number: WO1986003577A1
Application number: PCT/DE1985/000509
Authority: WO
Inventors: Michael Laumen
Original assignee: Michael Laumen
Priority date: 1984-12-07
Filing date: 1985-12-05
Publication date: 1986-06-19
Also published as: DE3444762A1; EP0204777A1; AU5235286A

Description

Kältemaschine bzw. Wärmepumpe mit einer Strahlpumpe als Verdichter

Die Erfindung betrifft eine Kältemaschine, bzw. Wärme¬ pumpe nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine derartige Kältemaschine bzw. Wärmepumpe mit einer Strahlpumpe als Verdichter ist aus der DE-OS 34 31 240 bekannt, die gemäß .§.3 Abs. 2 PatG 1981 Stand der Technik st. ^'Bei dieser bekannten Kältemaschine bzw. Wärmepumpe wird in einem Dampferzeuger Treibdampf erzeugt, mit dem eine DampfStrahlpumpe mit integriertem Verdampfer angetrie- ben wird. Der integrierte Verdampfer, der vorzugsweise aus Sintermetall besteht, umschließt zumindest zum Teil den Saugraum der DampfStrahlpumpe, so daß durch die Saugwirkung des Treibdampfes flüssiges Arbeitsmittel angesaugt wird und durch den Unterdr ck im Saugraum an der großen inneren Ober- fläche des integrierten Sintermetallverdampfers verdampft. Das Gemisch aus Treibdampf und Saugdampf wird sodann in einem Kondensator kondensiert. Ein Teil des Kondensats wird über eine Drosseleinrichtung zurück in die Strahlpumpe ge¬ führt, dringt in den Sintermetallverdampfer ein und ver- dampft an dessen großer innerer Oberfläche. Hierbei wird ein Teil der Drosselwirkung auch durch den Sintermetall¬ verdampfer erzielt. Der andere Teil des Kondensats wird über eine Pumpe zurück in den Dampferzeuger befördert, in dem daraus durch -Energiezu hr Treibdampf erzeugt wird.

Durch die besondere Bauform der DampfStrahlpumpe mit inte¬ grieren. Sintermetallverdampfer wird einerseits der Maschi¬ nenwirkungsgrad der DampfStrahlpumpe verbessert, wodurch sich auch die Leistungsziffer einer Kältemaschine bzw.

Wärmepumpe erhöht, die-*-mit dieser DampfStrahlpumpe ausge¬ rüstet ist. Andererseits ermöglicht die Integration des Verdampfers in den Saugraum der DampfStrahlpumpe eine kompakte Bauform, ohne daß die aktive Verdampfungsfläche verkleinert werden müßte, weil die große innere Oberfläche des Sintermetalls als Verdampfungsfläche zur Verfügung • steht.

Voraussetzung für den kontinuierlichen Betrieb einer der- artigen Kältemaschine bzw. Wärmepumpe ist jedoch, daß dem Treibdampferzeuger kontinuierlich Energie zugeführt werden muß. Auch ein bedarfsgesteiertes Betreiben der Anlage ist nicht möglich, wen ^'zum Antrieb Energiequellen verwendet werden, die etwa nur temporär zur Verfügung stehen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kältemaschine bzw. Wärmepumpe nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 zu schaffen, die größere Freiheit in der Wahl der verwendeten Antriebsquelle gewährleistet.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnen¬ den Merkmale des Anspruches 1.

Durch die Ausbildung des Dampferzeugers als Wärmespeicher ist es möglich, den Wärmespeicher mit der Antriebsenergie zu beladen, unabhängig davon, wann diese anfällt; zeitlich entkoppelt davon kann der Wärmespeicher zur Treibdampf¬ erzeugung entladen werden. Damit ist bei Betrieb der Kälte¬ maschine bzw. Wärmepumpe beispielsweise mit Solarenergie über Flachkollektoren ein kontinuierlicher Betrieb der Anlage möglich, auch wenn die Sonne zwischenzeitlich durch Wolken abgeschattet ist. Auch ein völlig zeitlich ent¬ koppelter Betrieb, beispielsweise die Beladung des Spei¬ chers tagsüber und die Entladung des Speichers zur Treib¬ dampferzeugung und damit Betrieb der Kältemaschine bzw. Wärmepumpe während der Nacht, ist durchführbar.

Gemäß Anspruch 2 ist der zur Treibdampferzeugung verwen¬ dete Wärmespeicher ein Latentwärmespeicher, da ein derarti¬ ger Speicher durch den Phasenwechsel des Speichermediums mit konstanter Temperatur be- und insbesondere entladen werden kann. Durch Anpassung der- Speichertemperatur an die thermo- dynamischen Daten des Arbeitsmittels der Kältemaschine bzw. Wärmepumpe ist ein sehr verlustarmer Wärmeübergang von dem Speichermedium auf das Arbeitsmittel möglich.

Besonders vorteilhaft ist nach Anspruch 3 die Verwendung eines Latentwärmespeichers, bei dem auch das Wärmeüber¬ tragungsmittel zum Be- und Entladen des Latentwärmespeichers einen Phasenwechsel vollzieht, wie er beispielsweise aus der EP-OS 00 79 452 bekannt ist. Aus Offenbarungsgrün en wird auf diese Druckschrift vollinhaltlich Bezug- genommen. Der besondere Vorteil bei der Verwendung dieses Latentwärme¬ speichers ergibt sich daraus, daß sich dieser Wärmespeicher ohne Verschlechterung seiner Leistungscharakteristik teil- be- und teilentladen läßt. Damit ist auch bei dem gewünsch- ten asynchronen oder bedarfsgesteuerten Betrieb der Kälte¬ maschine bzw. Wärmepumpe bei dem der Wärmespeicher teilbe- und teilentladen wird, eine hohe Gesamtleistungsziffer der Anlage gewährleistet.

Diese Gesamtleistungsziffer läßt sich gemäß Anspruch 4 auch dadurch verbessern, daß beim Beladen des Wärmespeic^' ers - das Wärmeübertragungsmittel, das die Wärme von der Antriebs¬ energiequelle auf das Speiehermeidum überträgt, in direktem Kontakt mit dem Speichermedium geführt ist. Durch diesen direkten Kontakt lassen sich zum einen sehr hohe Wärmeüber¬ gangswerte erzielen und zum anderen verbilligt sich die Anlage, da ein Wärmetauscher eingespart wird. Bei der Ver¬ wendung des Latentwärmespeichers nach der EP-OS 00 79 452 wird der außerhalb des Speichermediums angeordnete Verdampfer für das Warmeubertragungs- und Dispersionsmittel direkt als Energiesammler für die Antriebsenergie verwendet. Bei der Verwendung von Solarenergie würde also das Warmeubertra¬ gungs- bzw. Dispersionsmittel in den Kollektoren verdampft und dampfförmig dem Latentwärmespeicher zugeführt.

Diese geschilderten Vorteile einer Kältemaschine bzw. Wärmepumpe nach Anspruch 4 lassen sich auch gemäß Anspruch 5 dadurch erreichen-, daß^■ das Wärmeübertragungsmittel zum Entladen des Wärmespeichers in direktem Kontakt mit dem Speichermedium geführt ist.

Nach Anspruch 6 ist es besonders vorteilhaft, wenn das Wärmeübertragungsmittel zum Entladen des Wärmespeichers das Arbeitsmittel der Kältemaschine bzw. Wärmepumpe ist. Das flüssige Arbeitsmittelkondensat aus dem Kondensator der Kältemaschine bzw. Wärmepumpe wird dem beladenen oder teilbeladenen WärmeSpeicher zugeführt und wird durch Wärme- entzug durch Phasenwechsel des Speichermediums verdampft und steht als Treibdampf für die DampfStrahlpumpe zur Ver¬ fügung.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 7 besteht darin, daß sowohl das Wärmeüber- tragungsmittel zum Beladen des Wärmespeichers als auch das Arbeitsmittel der Kältemaschine, das als Wärmeüber¬ tragungsmittel zum Entladen des Wärmespeichers dient, in direktem Kontrakt mit dem Speichermedium geführt sind. Auf diese Weise werden die Übertragungsverluste durch

Wärmetauscher weiter verringert, so daß sich die Leistungs¬ ziffer der Gesamtanlage wiederum erhöht. Zusätzlich wird die Anlage durch die eingesparten Wärmetauscher verbilligt.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Aus¬ führungsformen anhand der Zeichnung.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten

Ausführungsform der Erfindung? Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten

Ausführungsform der Kältemaschine bzw. Wärme¬ pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer dritten

Ausführungsform der Kältemaschine bzw. Wärme¬ pumpe nach der vorliegenden Erfindung?

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform der Kältemaschine bzw. Wärme¬ pumpe nach der vorliegenden Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der in einem Wärmespeicher 1 erzeugte Treib- dampf gelangt über ein Regelventil 7 und eine Dampfleitung 6 in eine DampfStrahlpumpe 2 mit einem integrierten Ver- dampfer 3. Der in der DampfStrahlpumpe 2 erzeugte Misch¬ dampf gelangt über eine Mischdampfleitung 8^' in einen Kon¬ densator 4. Bei Betrieb der Anlage als Kältemaschine wird aus dem Kondensator die^* Kondensationswärme Q alsAbwärme abge¬ führt und bei Betrieb als Wärmepumpe wird hier die Nutz¬ wärme entzogen. Das im Kondensator 4 kondensierte^' flüssige Arbeitsmittel 19 der Kältemaschine bzw. Wärmepumpe gelangt über eine Flüssigkeitsleitung 9 und eine Drossel 10 teil- weise zurück in den in die DampfStrahlpumpe 2 integrierten Verdampfer 3, wo es durch die Druckabsenkung verdampfen kann. Die zur Verdampfung des flüssigen Arbeitsmittels 19 nötige Wärmeleistung Q wird von außen zugeführt. Bei Betrieb der Anlage als Kältemaschine entspricht diese zu- geführte Wärmeleistung der erbrachten Kälteleistung, und bei Betrieb der Anlage als Wärmepumpe entspricht diese Wärmeleistung der zusätzlich zur Antriebswärme als Nutz¬ wärme gewonnenen Umgebungswärme. Der andere Teil des kon¬ densierten Arbeitsmittels 19 wird durch eine Arbeitsmittel- pumpe 11 in den Wärmespeicher 1 eingepumpt. In einem Ent¬ ladungswärmetauscher 12 verdampft das flüssige Arbeits¬ mittel,^' indem einem Speichermedium 13 Wärme., entzogen wird, und gelangt als Treibdampf wieder in die DampfStrahlpumpe 2. In einem EnergieSammler 5 wird die Antriebsleistung Q auf ein Wärmeübertragungsmittel 18 zum Beladen des Wärmespeichers 1 übertragen. Dieses erwärmte Wärmeübertragungsmittel 18 gelangt in einen Beladungswärmetauschff 17 , durch den die wärme auf das Speichermedium 13 übertragen wird.^" Das ge¬ kühlte Wärmeübertragungsmittel 18 gelangt über einen Flüssigkeitssammler 16, eine Flüssigkeitsleitung 14 und eine Flüssigkeitspumpe 15 zurück in den Energiesammler 5. In dem Beladekreislauf des Wärmespeichers kann sowohl ein Wärmeübertragungsmittel ohne Phasenwechsel, wie z.B.

Wasser oder Öl, als auch ein Wärmeübertragungsmittel mit Phasenwechsel, wie z.B. Frigen, verwendet werden. Bei der Verwendung eines Wärmeübertragungsmittels mit Phasenwechsel würde das Wärmeübertragungsmittel 18 im Energiesammler 5 durch die von der Antriebsenergiequelle aufgenommene

Energie verdampfen und im Beladungswärmetauscher 17 wieder kondensieren und dabei die Kondensationsenergie an das Speichermedium 13 abgeben.

Durch Verwendung von getrennten Kreisläufen zum Be- und

Entladen des Wärmespeichers 1 sind bei der Wahl der Arbeits¬ mittel, der Speichermedien und Wärmeübertragungsmittel insofern mehr Freiheiten gegeben, als diese Stoffe ledig¬ lich in ihren Arbeitstemperaturen aneinander angepaßt sein müssen und nicht bezüglich ihres Dampfdruckes. Es ist also durchaus möglich, daß im Wärmespeicher, im Entladungs¬ wärmetauscher und im Beladungskreis unterschiedliche Drücke herrschen.

Als Wärmespeicher 1 zur Treibdampferzeugung lassen sich Wärmespeicher verschiedenster Prinzipien, wie z.B. Latent¬ wärmespeicher, Salzspeicher, chemische Speicher, Sorptions¬ wärmespeicher und Speicher, die lediglich spezifische Wärme speichern, verwenden. Die Verwendung von Latent- wärmespeichern ist als besonders vorteilhaft anzusehen, weil durch die konstante Speichertemperatur Treibdampf mit konstantem Druck und konstanter Temperatur erzeugbar ist. Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, die sich von der ersten Ausführungsform lediglich dadurch unterscheidet, daß das Wärmeübertragungsmittel zum Beladen des Wärmespeichers die Wärme in ^•• direktem Kontakt an das Speichermedium abgibt und-nicht über einen Wärmetauscher. Das im EnergieSammler 5, z.B. einem Sonnenkollektor, er¬ wärmte oder verdampfte Wärmeübertragungsmittel wird im unteren Bereich des Wärmespeichers zugeführt, steigt im Speichermaterial nach oben und gibt dabei seine spezifische Wärme bzw. seine Kondensationswärme ab. Über dem flüssigen Speichermedium 13 sammelt sich das Wärmeübertragungsmittel 18 und wird über den Flüssigkeitssammler 16, die Flüssig¬ keitsleitung 14 und die Flüssigkeitspumpe 15 zurück in den Energiesammler 5 befördert. Dadurch, daß das Arbeitsmittel 19 lediglich thermisch mit dem Speichermedi m 13 in Kontakt ist, wird verhindert, daß Speichermedium 13 mit dem Treib¬ dampf in die DampfStrahlpumpe gelangt und dort Düsen verstopft.

Wenn anderweitig, z.B. durch einen Flüssigkeitsabscheider in der Treibdampfleitung oder durch Einbauten im Wärme¬ speicher dafür gesorgt wird, daß kein Speichermaterial 13 durch den Treibdampf mitgerissen werden kann, so ergibt sich eine weitere Ausführungsform der Erfindung, wie sie in Fig. 3 schematisch dargestellt ist. Diese Ausführungs¬ form unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform lediglich dadurch, daß das flüssige Arbeitsmittel 19 in direktem Kontakt mit dem Speichermedium 13 verdampft wird und nicht durch Wärmeübergang im Entladungswärmetausche^'r 12.

In Fig. 4 ist schließlich eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kältemaschine bzw. Wärmepumpe darge¬ stellt. Bei dieser Ausführungsform ist das Wärmeübertra- gungsmittel 18 zur Beladung des Speichers, gleichzeitig auch Arbeitsmittel 19 des nachgeschalteten Wärmepumpen¬ bzw. Kältemaschinenkreislaufes. Sowohl das Be- als auch Entladen des Speichers geschieht durch direkten Kontakt des Warmeubertragungs- bzw. Arbeitsmittels mit dem Speicher¬ medium 13.

Besonders vorteilhaft ist hierbei, daß der im Energie- sammler 5 erzeugte Warmeubertragungs- bzw. Arbeitsmittel¬ dampf bei beladenem Wärmespeicher 1 unmittelbar als Treib¬ dampf zur Verfügung steht. Bei der Verwendung des gleichen Wärmeübertragungsmittels 18 sowohl zum Be- als auch Ent¬ laden des Wärmespeichers 1 muß darauf geachtet werden, daß das gewählte Wärmeübertragungsmittel 18 bzw. Arbeitsmittel 19 in seinen thermodynamischen Eigenschaften an die ge¬ wünschten Betriebsbedingungen der Anlage angepaßt ist. Wie in allen Fällen, bei denen der Wärmeübergang durch direkten Kontakt geschieht, ist es natürlich wichtig, daß sich Speichermedium 13 und Wärmeübertragungsmittel 18 auch wieder entmischen und auch nicht chemisch miteinander reagieren. ^• Diese Forderungen werden beispielsweise durch die Verwen¬ dung von Frigen als Arbeitsmittel erfüllt.

Sämtliche beschriebenen Ausführungsformen der Kälte¬ maschine bzw. Wärmepumpe gemäß der vorliegenden Erfi-ridung lassen sich besonders vorteilhaft mit dem aus der Druck¬ schrift EP-OS 00 7.9 452 bekannten Latentwärmespeicher realisieren. Aus Offenbarungsgründen wird auf diese Druck- schrift vollinhaltlich Bezug genommen. Bezüglich der ge¬ naueren Ausgestaltung des Wärmepumpen- bzw. Kältemaschinen¬ kreislaufes sei ausdrücklich auf die detaillierte Be¬ schreibung verschiedener Schaltungsvarianten in der DE-OS 34 31 240.4 verwiesen, auf deren Offenbarung eben- falls vollinhaltlich Bezug genommen wird.

Claims

Patentansprüche

1. Kältemaschine bzw. Wärmepumpe mit einem Verdichter in . Form einer ^"Strahlpumpe, einem der Strahlpumpe vorgeschal¬ teten Dampferzeuger zur Erzeugung des Treibdampfes, einem der Strahlpumpe nachgeschalteten Kondensator und einem mit der Strahlpumpe verbundenen Verdampfer, in dem niedrig ge¬ spannter Saugdampf zur Ansaugung durch den Treibdampf in den Saugraum der Strahlpumpe erzeugbar ' is , wobei vor dem Saug¬ raum der Strahlpumpe eine Drosseleinrichtung für das Kon¬ densat angeordnet ist, der Verdampfer zugleich .zumindest als Teil der Drosseleinrichtung ausgebildet ist und die Form einer Wandanordnung aus porösem Material, vorzugsweise metallischem Material wie insbesondere Sintermetall aufweist, deren ^'stromab liegende Oberfläche zumindest Teil der Um¬ grenzung des Saugraum.es der Strahlpumpe bildet und deren seitliche Ränder flüssigkeitsdicht abgeschlossen sind, wobei zumindest die stromauf liegenden Oberflächenschichten der in Strömungsrichtung des Kondesats ersten oder einzigen Wand der Wandanordnung für Kondensat durchlässig ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampferzeuger als Wärmespeicher (1) ausgebildet ist, der mittels einer Energiequelle beladbar ist, die Energie asynchron zum Leistungsbedarf des Kältekreis¬ laufes liefert.

2. Kältemaschine bzw. Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmespeicher (1) ein Latent¬ wärmespeicher mit Wärmespeicherung und Wärmeabgabe über Phasenwechsel des Speichermediums (13) ist.

3. Kältemaschine bzw. Wärmepumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Latentwärmespeicher auch ein Wärmeübertragungsmittel (18) zum Be- bzw. Entladen des Wärmespeichers (1) einen Phasenwechsel vollzieht.

4. Kältemaschine bzw. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeübertra¬ gungsmittel (18) zum Beladen des Wärmespeichers (1) in direktem Kontakt mit dem Speichermedium (13) geführt ist.

5. Kältemaschine bzw. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeüber¬ tragungsmittel (18) zum Entladen des WärmeSpeichers (1) in direktem Kontakt mit dem Speichermedium (13) geführt ist.

6. Kältemaschine bzw. Wärmepumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeübertragungsmittel zum Entladen des Wärmespeichers (1) das Arbeitsmittel (19) der Kältemaschine bzw. Wärmepumpe ist.

7. Kältemaschine bzw. Wärmepumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl das Wärmeübertragungsmittel (18) zum Beladen des Wärmespeichers (1) als auch das

Arbeitsmittel (19) der Kältemaschine bzw. Wärmepumpe in direktem Kontakt mit dem Speichermedium (13) geführt ist.