WO2007107593A2 - Heat pump device - Google Patents

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WO2007107593A2
WO2007107593A2 PCT/EP2007/052710 EP2007052710W WO2007107593A2 WO 2007107593 A2 WO2007107593 A2 WO 2007107593A2 EP 2007052710 W EP2007052710 W EP 2007052710W WO 2007107593 A2 WO2007107593 A2 WO 2007107593A2
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heat pump
piston
heat
working medium
cyclone unit
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WO2007107593A3 (en
WO2007107593B1 (en
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Michael Löffler
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Loeffler Michael
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B31/00Compressor arrangements
    • F25B31/006Cooling of compressor or motor
    • F25B31/008Cooling of compressor or motor by injecting a liquid
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04BPOSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B39/00Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00
    • F04B39/06Cooling; Heating; Prevention of freezing
    • F04B39/062Cooling by injecting a liquid in the gas to be compressed
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B1/00Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle
    • F25B1/02Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle with compressor of reciprocating-piston type
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B30/00Heat pumps
    • F25B30/02Heat pumps of the compression type
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B41/00Fluid-circulation arrangements

Definitions

  • the present invention relates to a heat pump device.
  • heat pumps with a compressor work with a phase change, the working fluid absorbs heat during evaporation and gives off heat during condensation.
  • heat pump as a heat engine, for example, for space heating and / or domestic water heating
  • heat pumps as a chiller
  • a heat pump device with a cyclone unit and a piston machine with a cylinder space is provided.
  • a liquid working fluid is injected into the cyclone unit, while vaporous working fluid is compressed by the piston engine or relaxed during vaporous working fluid in the piston engine.
  • the injected liquid working medium moves in a circular manner in the cyclone unit.
  • the liquid working medium is thus kept in the cyclone unit, while vaporous working medium from the cylinder chamber can penetrate into the cyclone unit or escape from the cyclone unit into the cylinder chamber.
  • the invention relates to the idea that maximum theoretically achievable operating numbers for heating or cooling of a medium are not achieved with the cold vapor process, but with a substantially triangular in the T-s diagram cycle.
  • FIG. 1 shows a representation of a Ts diagram
  • Fig. 3 shows a schematic structure of a heat pump according to a first embodiment
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a construction of a cyclone unit of a heat pump according to a first exemplary embodiment
  • Fig. 5 shows a sectional view through a cyclone according to a second embodiment
  • FIG. 6 shows an illustration of a T-s diagram according to a third exemplary embodiment.
  • Fig. 1 shows a Ts diagram of a triangular heat pump cycle.
  • the ideal process flows for a heat pump for the delivery of useful heat with the ideal cold vapor process (line 1-2-3-4-5-6-1) and the triangular process (dashed, 1 -2-6-1) are shown.
  • the presentation of the ideal processes is sufficient here.
  • the exergy loss in the processes is the proportion of the total energy of a system which can perform work when brought into thermodynamic equilibrium with its environment.
  • this exergy loss corresponds approximately to the area between the curves of the heat sink, dotted, 6-2, sensible heat, and the corresponding curve of the cold vapor process 2-3-4-5-6.
  • the exergy loss in the triangular process corresponds to the area between the curves of the heat sink 6-2 and the curve of the triangular process 2-6.
  • the cycle to be achieved is located in or directly at the wet steam zone of the working medium.
  • the triangular process consists of a horizontal sub-process (the catheter 1: isothermal evaporation or condensation), a vertical sub-process (the catheter 2), (ideally a reversible adiabatic, ie isentropic evaporation or condensation) and a heat exchange process with the medium to be cooled or heated , the hypotenuse in the triangle.
  • the latter sub-process which appears as a hypotenuse, is in a first approximation a straight line.
  • hypotenuse is an exponential function in assuming constant heat capacities and densities of the working medium as well as the medium which absorbs the heat. It turns out that the heat exchange process is usually carried out between two liquid media. Since very good countercurrent heat exchangers are available for liquid media, this sub-process can be expected to have an extremely low exergy loss.
  • the area of the cycle in the T-s diagram is a measure of the mechanical power that must flow into the heat pump. Since the area of the triangle is about half the area of the cold vapor process, the triangular process achieves twice the number of working hours compared to the cold vapor process.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of four different types of heat pumps.
  • Q nutz refers to the Net power, Q from the power delivered and ö z "the power supplied to the machine.
  • the machines 3 and 4 are heat mirrors and come with appropriate dimensioning and design of the temperatures without the supply of mechanical energy.
  • Q are heat outputs that are introduced into the machine or removed from the machine depending on the direction of the arrow.
  • W meCh is the mechanical power supplied.
  • T Nutz are the temperature levels of useful power taken from the machine or into the machine be delivered. Depending on the type of machine, this temperature is higher or lower than the level of the ambient temperature
  • T To g ⁇ T ab and T to are temperature levels at which power must be dissipated from the machine or fed to the machine
  • T to 60 ° C
  • ambient temperature 30 ° C.
  • the machine type Temperature mirror cold from heat
  • the machine can deliver cooling capacity at a temperature level of around 5 ° C.
  • the amount of cooling capacity is about as large as the heat supplied to the machine from the collector.
  • the dissipated to the environment heat output consists of the sum of the amount of cooling capacity and the collector heat output, that is about twice as large as the collector heat output.
  • Fig. 3 shows a schematic representation of a structure of a heat pump as a heater with cyclone, inlet valve V, piston, piston rod and crankshaft with motor. Exhaust valves are not shown.
  • the heat pump device has a piston engine 10, an evaporator 20, a cyclone unit 30, an expansion valve 40, at least two non-return valves 50, a reservoir 60, a collecting container 70, an outlet valve 80 and a heat exchanger 90, via which heat can be delivered ,
  • a working medium in a liquid phase is introduced into the cyclone unit 30.
  • the compressed vapor condenses into the liquid working medium in the cyclone unit 30.
  • a liquid phase is injected during the compression process.
  • the cyclone unit 30 serves to receive the liquid phase and to prevent liquid phase from being injected into the cylinder space.
  • the liquid phase is injected on a circular path in the cyclone and thus remains in the cyclone.
  • the vaporous phase in the cylinder space is compressed and condenses with increasing pressure into the liquid phase, thereby heating the liquid phase.
  • the volume of the cyclone unit 30 not occupied by the liquid phase interacts with the cylinder volume 15 of the piston engine.
  • the cylinder volume extends into the cyclone unit 30, as it were.
  • the volume of the cyclone unit and the volume of the cylinder space 15 form an intersection.
  • the useful thermal power P nu t z is preferably taken off via a countercurrent heat exchanger.
  • water is at a temperature of 20 ° C at a pressure of 23mbar.
  • water is at 20 ° C and a pressure of 1 bar.
  • P ab is heat supplied from the environment in this case.
  • the figures 10% and 90% mean that the mass flows of the working medium at this branch, for example, in the ratio 10 to 90 split.
  • the piston engine has a first piston position, ie a top dead center OT, which is defined by the fact that the volume contained in the cylinder is minimal.
  • the piston engine has a second piston position (bottom dead center UT), which is defined by the fact that the volume contained in the cylinder is maximum.
  • Fig. 4 shows a schematic structure of the pre-chamber with a cyclone unit according to a first embodiment.
  • the liquid heat transfer medium moves on circular paths.
  • the gaseous heat transfer medium or the working medium can flow from the cylinder 10 into the cyclone 30 and, in the case of evaporation, from the cyclone 30 into the cylinder 10.
  • Fig. 5 shows a section through a cyclone with a twist according to a second embodiment. Not shown baffles in the cyclone and a tangential injection of the working medium provide a twist. This swirl promotes a mixing of the liquid working medium, which distributes the heat transferred by the phase change on the liquid surface evenly to the liquid phase.
  • Fig. 6 shows a T-s diagram of the novel process in direct injection after the suction of the steam (1) and in delayed injection (2) according to a third embodiment.
  • the figure shows the ideal course of the injection process immediately after steam extraction (1).
  • This process can e.g. be used for domestic water heating.
  • the delayed injection process (2) is shown.
  • the latter process can be used for space heating: steam at ambient temperature, e.g. 10 ° C, is first by adiabatic compression to z. B. 28 ° C compressed. Then 25 ° C warm liquid working medium is injected. Upon further compression, the condensation and heating of the working medium to z. B. 40 ° C a.
  • the non-specific entropy S (Ws / K) was chosen as x-axis.
  • Process type evaporation In the OT, liquid heat transfer medium is injected into the cylinder chamber. When the piston travels from the TDC to the TDC, the heat transfer medium is vaporized and the liquid heat transfer medium is cooled. In UT, the liquid heat transfer medium is removed from the cylinder chamber. On the way of the piston from BDC to TDC, the steam is expelled and condensed in a condenser. In the OT, the steam outlet valves are closed. The process starts from the beginning.
  • a machine that picks up heat from a higher temperature level than the ambient level and picks up heat from a lower temperature level than the surrounding level, or a machine that gives off heat to a higher temperature level than the surrounding level and gives off heat to a lower temperature level than the surrounding level also referred to here as a heat pump.
  • the latter two types of heat pumps are referred to as heat mirrors, when in an ideal course of the process, the temperature differences between the cold and the hot levels to the ambient level are equal in first approximation and the amounts of heat converted are the same.
  • a reciprocating engine As an example of a displacement machine, a reciprocating engine can be selected. In principle, however, the use of any type of displacement machine for the realization of the triangular processes according to the invention is possible.
  • the piston position top dead center also called OT
  • the lower dead point also called UT, defined by the fact that the volume contained in the cylinder is maximum in this piston position.
  • working fluid condenses in the working space (here: cylinder space) of the compression machine
  • working fluid evaporates in the working space (here: cylinder space) of the expansion machine.
  • the first type of triangular cycle is characterized in that first a working medium is evaporated to the temperature level of the environment while supplying heat in the evaporator (for example, evaporator 20) (heat consumption).
  • the steam is sucked into the cylinder during the expansion, in this case during the piston movement from top dead center OT to bottom dead center UT.
  • liquid and cold working medium is introduced into the cylinder chamber.
  • the trapped vapor condenses into and heats the injected liquid and cold phases.
  • the liquid phase is removed from the cylinder space. The heated liquid phase can then deliver the heat supplied to them as useful heat.
  • the second type of triangular cycle is distinguished by the fact that liquid working medium is introduced into the piston engine in the region of top dead center OT. If now the piston moves from top dead center OT to bottom dead center UT, part of the working medium evaporates and the working fluid cools down. If the piston is at bottom dead center UT, the cooled liquid phase is removed from the cylinder chamber and used for cooling purposes.
  • the prerequisite for the controlled phase change in both cycle types is that surfaces comprising the cylinder space have a higher temperature than the liquid phase; For these reasons, said surfaces may need to be heated and / or coated.
  • the piston machine is an example of a discontinuous displacement machine.
  • the triangular process can also be implemented in other displacement machines.
  • Essential for the process is essentially an isentropic compression or expansion.
  • An example of a displacement machine is a screw machine or a scroll compressor. The fact that currently available screw machines have too low a compression or expansion ratio, is noted marginally.
  • the two above-mentioned processes are realized in displacement machines as follows:
  • the first type of cycle is characterized by a compression of a fluid which exists in two phases. Consequently, steam is first generated in an evaporator and sucked by the compression machine. Before entering the steam in the compression machine or after a pre-compression of the steam in the compression machine, liquid phase is introduced into the steam. In the compression machine, the mixture is further compressed. The vapor condenses into the liquid phase. If the steam is completely condensed, then there is only liquid phase at the outlet of the machine. In this ideal case and with isentropic conditions, the complete triangular process can be realized. As with the piston engine, the hot liquid medium releases its heat as useful heat after it leaves the machine.
  • the second type of cycle is in the general case of the expansion machine as follows: liquid working medium is introduced into the expansion machine.
  • the expansion forces steam production.
  • the required evaporation capacity is taken from the liquid phase, whereby it cools and can be used after leaving the machine for cooling purposes.
  • Heat-insulating coatings on the surfaces of the working area favor isentropic process control.
  • the heat transfer from the cylinder wall to the gaseous working medium is slight due to the low gas velocities and the low density of the gas.
  • the heat transfer from the cyclone wall to the liquid working medium is achieved by coating the corresponding cyclone wall with a heat-insulating material, e.g. Teflon, ceramic or enamel and / or by special types of injection of the working fluid to be kept harmless level.
  • a heat-insulating material e.g. Teflon, ceramic or enamel
  • the liquid working medium is injected onto a circular path in an antechamber of the cylinder. Below we also call this circular path cyclone.
  • the liquid working medium remains in the prechamber, while the gaseous working medium can move through an overflow opening between the prechamber and the cylinder space, depending on the prevailing pressure conditions between the rooms.
  • the liquid working medium is atomized during the injection process into the smallest possible droplets.
  • the droplets are distributed in the cylinder space. Only droplets that come in the immediate vicinity of the heated surfaces can absorb heat on these surfaces. Since the heat absorption is associated with the evaporation of the droplets, the proportion of steam in the area of the heated surfaces increases and the vapor on the surfaces overheats. The superheated vapor inhibits further drops of liquid from moving toward the heated surfaces, reducing heat transfer.
  • Important in the condensation in the liquid working medium is a good distribution of the heat of condensation within the liquid phase.
  • the frictional flow of the liquid working medium leads to its mixed state.
  • the cyclone for mixing the working fluid having a special design that allows turbulence of the working fluid. Heat released by the condensation on the surface of the liquid phase is thus dispersed quickly enough throughout the liquid phase due to the mixing.
  • the cyclone has the advantage that removal of the liquid working medium from the cylinder can be carried out easily: if an outlet valve is opened on the cyclone bottom, the centrifugal forces help to remove the liquid working medium from the antechamber.
  • the distribution of the heat of condensation poses no problem: the liquid droplets can be chosen to be very small, so that the distribution of the heat within the droplets is very fast due to heat conduction.
  • the distribution of heat within the cloud of fog necessarily results from partial pressure differences: the condensation is always greatest at the coldest point and thus leads to a temperature compensation in the cloud.
  • the present invention relates to the structure and function of a heat pump with a phase change of the working medium in the cylinder space of a piston engine, wherein the heat transfer medium is liquid and vaporizable and is injected in liquid form into the cylinder chamber.
  • a heat pump is provided in which liquid working medium is injected.
  • the liquid working fluid is injected into a portion of the cylinder space of the engine, namely the pre-chamber.
  • the working medium moves in circular paths, the liquid heat transfer medium due to the high density and Because of the centrifugal forces caused thereby predominantly in the antechamber is kept, while vaporous working medium escape into the entire cylinder chamber and can penetrate from the cylinder chamber into the prechamber.
  • the heat pump has a working space consisting of cylinder space and pre-chamber, wherein the cylinder space and the pre-chamber are connected in such a way that an overflow of steam is possible.
  • An evaporable working medium is introduced in liquid form into the pre-chamber, wherein the working medium is introduced onto a circle-like path.
  • the circular path of the liquid phase causes centrifugal forces which greatly radially accelerate the liquid phase due to the high density.
  • the radial acceleration and the structural design of the cyclone cause that the liquid phase can not escape from the antechamber.
  • the volume of the cyclone device (dead space) should be as small as possible in the structure. In other words, the volume between the piston at top dead center and the volume of the cyclone unit not required by the liquid phase should be as small as possible.
  • the working medium in the cyclone in addition to the circular movement receives a twist, whereby the mixing of the working medium is improved.
  • the cyclone is designed substantially circular in cross-section, so that the working medium can be provided with a swirl.
  • the swirl serves to promote an intimate mixing of the working medium and to prevent the formation of a harmful for the process efficiency temperature gradient in the working medium.
  • the walls of the cyclone which come into contact with the liquid phase, coated with a poor thermal conductivity material.
  • the cyclone wall is provided with a poorly heat-conductive coating.
  • This coating can be, for example, Teflon, ceramic or enamel.
  • the working medium is injected in liquid form into the cylinder chamber of the machine, wherein the liquid phase is atomized by means of an injection nozzle.
  • a heat pump is provided in which the liquid working medium is atomized as finely as possible during the injection process by means of an injection nozzle.
  • the surface of the piston facing the vapor-filled space of the cylinder is coated with a material having poor thermal conductivity.
  • the relevant surface of the piston is provided with a poorly heat-conductive coating.
  • This coating can be, for example, Teflon, ceramic or enamel.
  • the structural parts coming into contact with the resulting steam are designed to be heated.
  • the gaseous phase accessible components of the engine When the gas is compressed, the gaseous phase accessible components of the engine must be at a temperature greater than the condensation temperature at the instantaneous vapor pressure. If the surfaces of the components were colder, part of the gaseous phase would condense abruptly on these surfaces. The condensed phase would no longer be available for condensation in the working medium, and the machine's performance and workload would be reduced.
  • the exhaust valves are closed in the region of top dead center, followed by the admission of steam to bottom dead center, whereupon the inlet valves are closed and liquid working fluid is injected directly or with a delay, followed by compression and condensation of the vapor in the liquid phase, whereupon the exhaust valve is opened at top dead center and thus the ejection of the heated liquid phase takes place. Then the cycle starts again.
  • This aspect of the present invention relates to the process management in the process type condensation. With the machine one can of a Two-stroke talk. In the TDC, the inlet valves for the steam are opened. Steam is drawn from the evaporator until UT is reached. In UT, the inlet valves are closed and liquid working fluid is injected directly or with a delay.
  • the steam and the liquid working fluid are at the same temperature, they can be injected immediately after closing the intake valves. If the liquid phase to be injected is warmer than the vapor phase, it is not injected until the steam in the cylinder has been compressed until the pressure of the steam corresponds to the vapor pressure of the liquid phase.
  • the steam is compressed and it causes condensation of the vapor in the liquid phase.
  • the inlet valves are opened again, whereby the circuit is closed.
  • the vaporous working medium in the cylinder is compressed, whereby it condenses at the coldest point, namely in the injected liquid phase, thereby heating the liquid phase.
  • the injected liquid working fluid may also have a temperature lower than the ambient temperature. In this case, a sudden reduction of the vapor pressure occurs during the injection.
  • the injection variant cold water is used, for example, for the heat pump type heat from cold. With a suitable temperature selection of the cold liquid working medium operation of the heat pump without mechanically supplied drive energy is possible.
  • the exhaust valves are closed in the region of top dead center, whereupon liquid working medium is injected, whereupon the expansion begins and the evaporation from the liquid phase and thereby the cooling of the liquid phase takes place, whereupon at bottom dead center liquid phase is removed and the outlet valves are opened for the gaseous phase, followed by reaching the top dead center of the ejection of the gaseous phase.
  • This aspect of the present invention relates to the process control in the evaporation process.
  • TDC top dead center
  • the exhaust valve (s) is closed. and then injected the working medium.
  • the working medium evaporates a part of the working medium.
  • the injected heat transfer medium is water.

Abstract

The invention relates to a heat pump device comprising a cyclone unit (30) and a piston engine (10) with a cylinder compartment (15). A liquid working medium is injected into the cyclone unit (30) while a gas working medium is compressed in the piston engine or while a gas working medium is expanded in the piston engine.

Description

Wärmepumpenvorrichtung heat pump device
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmepumpenvorrichtung.The present invention relates to a heat pump device.
Zur Zeit verfügbare Wärmepumpen (WPn) mit einem Kompressor arbeiten mit einem Phasenwechsel, wobei das Arbeitsmedium bei der Verdampfung Wärme aufnimmt und bei der Kondensation Wärme abgibt. Je nach Arbeitspunkt wird dabei Wärme von der Umgebung aufgenommen und auf einem hohen Temperaturniveau abgegeben (Wärmepumpen als Wärmemaschine z. B. zur Raumheizung und/oder Brauchwassererwärmung) oder Wärme an die Umgebung abgegeben und bei einem niedrigen Temperaturniveau aufgenommen (Wärmepumpen als Kältemaschine).Currently available heat pumps (WPn) with a compressor work with a phase change, the working fluid absorbs heat during evaporation and gives off heat during condensation. Depending on the operating point, heat is absorbed by the environment and released at a high temperature level (heat pump as a heat engine, for example, for space heating and / or domestic water heating) or heat to the environment and recorded at a low temperature level (heat pumps as a chiller).
Nach der Wärmeaufnahme im Verdampfer ist in beiden genannten Fällen eine Druckerhöhung des Arbeitsmediums in einer meistens elektrisch betriebenen Pumpe erforderlich. Wärmepumpen arbeiten in den meisten Fällen nach dem Kaltdampfprozess. Die Arbeitszahl von Wärmepumpen zur Brauchwassererwärmung und Raumheizung liegen hierbei etwa bei 2-3. Die theoretischen Werte für die Arbeitszahlen liegen dabei je nach Temperaturniveau der Warmseite und der Kaltseite und im Bereich Brauchwassererwärmung und Raumheizung bei etwa 6.After the heat absorption in the evaporator in both cases mentioned an increase in pressure of the working medium in a mostly electrically operated pump is required. Heat pumps work in most cases after the cold vapor process. The number of work of heat pumps for domestic water heating and space heating are about 2-3. Depending on the temperature level of the hot side and the cold side and in the area of domestic water heating and room heating, the theoretical values for the working numbers are about 6.
Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wärmepumpenvorrichtung mit verbesserten Arbeitszahlen vorzusehen.It is therefore an object of the present invention to provide a heat pump device with improved numbers of jobs.
Diese Aufgabe wird durch eine Wärmepumpenvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by a heat pump device according to claim 1.
Somit wird eine Wärmepumpenvorrichtung mit einer Zykloneinheit und einer Kolbenmaschine mit einem Zylinderraum vorgesehen. Hierbei wird ein flüssiges Arbeitsmedium in die Zykloneinheit eingespritzt, während dampfförmiges Arbeitsmedium durch die Kolbenmaschine komprimiert wird oder während dampfförmiges Arbeitsmedium in der Kolbenmaschine entspannt.Thus, a heat pump device with a cyclone unit and a piston machine with a cylinder space is provided. Here, a liquid working fluid is injected into the cyclone unit, while vaporous working fluid is compressed by the piston engine or relaxed during vaporous working fluid in the piston engine.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung bewegt sich das eingespritzte flüssige Arbeitsmedium auf kreisähnlichen Bahnen in der Zykloneinheit. Das flüssige Arbeitsmedium wird somit in der Zykloneinheit gehalten, während dampfförmiges Arbeitsmedium aus dem Zylinderraum in die Zykloneinheit eindringen kann oder von der Zykloneinheit in den Zylinderraum entweichen kann.According to one aspect of the present invention, the injected liquid working medium moves in a circular manner in the cyclone unit. The liquid working medium is thus kept in the cyclone unit, while vaporous working medium from the cylinder chamber can penetrate into the cyclone unit or escape from the cyclone unit into the cylinder chamber.
Die Erfindung betrifft den Gedanken, dass maximale theoretisch erreichbare Arbeitszahlen zur Erwärmung oder Abkühlung eines Mediums nicht mit dem Kaltdampfprozess, sondern mit einem im Wesentlichen im T-s-Diagramm dreieckigen Zyklus erreicht werden.The invention relates to the idea that maximum theoretically achievable operating numbers for heating or cooling of a medium are not achieved with the cold vapor process, but with a substantially triangular in the T-s diagram cycle.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Further embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Vorteile und Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Fig. 1 zeigt eine Darstellung eines T-s-Diagramms,Advantages and embodiments of the invention are explained below with reference to the drawing. 1 shows a representation of a Ts diagram,
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung von verschiedenen Wärmepumpentypen,2 shows a schematic representation of different heat pump types,
Fig. 3 zeigt einen schematischen Aufbau einer Wärmepumpe gemäß einem ersten AusführungsbeispielFig. 3 shows a schematic structure of a heat pump according to a first embodiment
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Aufbaus einer Zykloneinheit einer Wärmepumpe gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,4 shows a schematic representation of a construction of a cyclone unit of a heat pump according to a first exemplary embodiment,
Fig. 5 zeigt eine Schnittansicht durch einen Zyklon gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, undFig. 5 shows a sectional view through a cyclone according to a second embodiment, and
Fig. 6 zeigt eine Darstellung eines T-s-Diagramms gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.6 shows an illustration of a T-s diagram according to a third exemplary embodiment.
Fig. 1 zeigt ein T-s-Diagramm eines dreieckigen Wärmepumpenzyklus. Hier sind die idealen Prozessverläufe bei einer Wärmepumpe zur Abgabe von Nutzwärme mit dem idealen Kaltdampfprozess (Linie 1-2-3-4-5-6-1 ) und dem Dreieckspro- zess (gestrichelt, 1 -2-6-1 ) gezeigt. Zur Verdeutlichung der Wirkungsprinzipien und zum grundsätzlichen Vergleich der Prozesse genügt an dieser Stelle die Darstellung der idealen Verläufe. Deutlich zu sehen ist der Exergieverlust bei den Prozessen. Als Exergie wird der Anteil der Gesamtexergie eines Systems be- zeichnet, welcher Arbeit verrichten kann, wenn er in das thermodynamische Gleichgewicht mit seiner Umgebung gebracht wird. Dieser Exergieverlust entspricht beim Kaltdampfprozess in etwa der Fläche zwischen den Kurven der Wärmesenke, gepunktet, 6-2, sensible Wärme, und der entsprechenden Kurve des Kaltdampfprozesses 2-3-4-5-6. Hingegen entspricht der Exergieverlust beim Dreiecksprozess der Fläche zwischen den Kurven der Wärmesenke 6-2 und der Kurve des Dreiecksprozesses 2-6. Bei idealem Verhalten des Gegenstromwär- metauschers, der beim Dreiecksprozess die Energie zwischen Arbeitsmedium und dem Wärmeträger der Wärmesenke überträgt, und bei identischem thermischem Kapazitätenstrom der beiden Medien verschwindet der Exergieverlust gänzlich. - A -Fig. 1 shows a Ts diagram of a triangular heat pump cycle. Here, the ideal process flows for a heat pump for the delivery of useful heat with the ideal cold vapor process (line 1-2-3-4-5-6-1) and the triangular process (dashed, 1 -2-6-1) are shown. In order to clarify the principles of operation and to compare the processes in principle, the presentation of the ideal processes is sufficient here. Clearly visible is the exergy loss in the processes. Exergy is the proportion of the total energy of a system which can perform work when brought into thermodynamic equilibrium with its environment. In the cold vapor process, this exergy loss corresponds approximately to the area between the curves of the heat sink, dotted, 6-2, sensible heat, and the corresponding curve of the cold vapor process 2-3-4-5-6. On the other hand, the exergy loss in the triangular process corresponds to the area between the curves of the heat sink 6-2 and the curve of the triangular process 2-6. With ideal behavior of the countercurrent heat exchanger, which transfers the energy between the working medium and the heat carrier of the heat sink during the triangular process, and with the same thermal capacity flow of the two media, the exergy loss disappears altogether. - A -
Um einen dreieckigen Kreisprozess vorzusehen, befindet sich der zu erzielende Arbeitszyklus im oder unmittelbar am Nassdampfgebiet des Arbeitsmediums. Der Dreiecksprozess besteht aus einem horizontalen Teilprozess (der Kathete 1 : isotherme Verdampfung oder Kondensation), einem vertikalen Teilprozess (der Kathete 2), (im Idealfall eine reversibel adiabate, also isentrope Verdampfung oder Kondensation) und einem Wärmetauschprozess mit dem abzukühlenden oder zu erwärmendem Medium, der Hypotenuse im Dreieck. Letztgenannter Teilprozess, der als Hypotenuse erscheint, stellt in erster Näherung eine Gerade dar. Thermodynamisch genauer betrachtet, ist die Hypotenuse bei der Annahme von konstanten Wärmekapazitäten und Dichten des Arbeitsmediums, sowie des Mediums, welches die Wärme aufnimmt, eine Exponentialfunktion. Es zeigt sich, dass der Wärmetauschprozess in der Regel zwischen zwei flüssigen Medien ausgeführt wird. Da sehr gute Gegenstromwärmetauscher für flüssige Medien zur Verfügung stehen, ist bei diesem Teilprozess mit einem außerordentlich geringen Exergieverlust zu rechnen.In order to provide a triangular cycle, the cycle to be achieved is located in or directly at the wet steam zone of the working medium. The triangular process consists of a horizontal sub-process (the catheter 1: isothermal evaporation or condensation), a vertical sub-process (the catheter 2), (ideally a reversible adiabatic, ie isentropic evaporation or condensation) and a heat exchange process with the medium to be cooled or heated , the hypotenuse in the triangle. The latter sub-process, which appears as a hypotenuse, is in a first approximation a straight line. Considered more thermodynamically, the hypotenuse is an exponential function in assuming constant heat capacities and densities of the working medium as well as the medium which absorbs the heat. It turns out that the heat exchange process is usually carried out between two liquid media. Since very good countercurrent heat exchangers are available for liquid media, this sub-process can be expected to have an extremely low exergy loss.
Die Fläche des Zyklus im T-s-Diagramm ist ein Maß für die mechanische Leistung, die in die Wärmepumpe fließen muss. Da die Fläche des Dreiecks etwa halb so groß ist wie die Fläche des Kaltdampfprozesses, erreicht der Dreiecks- Prozess etwa die doppelte Arbeitszahl im Vergleich zum Kaltdampfprozess.The area of the cycle in the T-s diagram is a measure of the mechanical power that must flow into the heat pump. Since the area of the triangle is about half the area of the cold vapor process, the triangular process achieves twice the number of working hours compared to the cold vapor process.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung von vier verschiedenen Typen von Wärmepumpen. 1 ) Die erste Wärmemaschine 1 mit
Figure imgf000006_0001
TUmg , 2) die zweite Kältemaschine 2 mit TNutz< TUmg , 3) Wärme aus Kälte 3 mit TNutz> TUmg und 4) Kälte aus Wärme 4 mit TNutz< TUmg Qnutz bezeichnet dabei die Nutzleistung, Qab die abgegebene Leistung und öz„ die der Maschine zugeführte Leistung. Die Maschinen 3 und 4 sind dabei Wärmespiegel und kommen bei geeigneter Dimensionierung und Auslegung der Temperaturen ohne die Zuführung von mechanischer Energie aus. Q sind Wärmeleistungen, die je nach Pfeilrichtung in die Maschine eingeleitet oder aus der Maschine entnommen werden. WmeCh ist die zugeführte mechanische Leistung. TNutz sind die Temperaturniveaus der Nutzleistung, die aus der Maschine entnommen werden oder in die Maschine abgegeben werden. Je nach Maschinentyp ist diese Temperatur höher oder niedriger als das Niveau der Umgebungstemperatur TUmg ■ Tab und Tzu sind Temperaturniveaus, bei denen Leistung aus der Maschine abgeführt oder der Maschine zugeführt werden müssen.
Fig. 2 shows a schematic representation of four different types of heat pumps. 1) The first heat engine 1 with
Figure imgf000006_0001
T Um g, 2) the second chiller 2 with T Nutz <T Um g, 3) heat from cold 3 with T Nutz > T Um g and 4) cold from heat 4 with T Nutz <T Um g Q nutz refers to the Net power, Q from the power delivered and ö z "the power supplied to the machine. The machines 3 and 4 are heat mirrors and come with appropriate dimensioning and design of the temperatures without the supply of mechanical energy. Q are heat outputs that are introduced into the machine or removed from the machine depending on the direction of the arrow. W meCh is the mechanical power supplied. T Nutz are the temperature levels of useful power taken from the machine or into the machine be delivered. Depending on the type of machine, this temperature is higher or lower than the level of the ambient temperature T To g ■ T ab and T to are temperature levels at which power must be dissipated from the machine or fed to the machine.
Als Beispiel für einen Wärmespiegel des Typs 4) Kälte aus Wärme sei ein System, bei dem die zugeführte Wärme aus einem Solarkollektor kommt (Tzu = 60°C) und das Niveau der Umgebungstemperatur bei 30°C liege. Mit dem Maschinentyp: Temperaturspiegel Kälte aus Wärme kann die Maschine Kälteleistung auf einem Temperaturniveau bei etwa 5°C liefern. Die Kälteleistung ist betragsmäßig etwa so groß wie die der Maschine zugeführte Wärmeleistung aus dem Kollektor. Die an die Umgebung abgeführte Wärmeleistung besteht aus der Summe des Betrags der Kälteleistung und der Kollektorwärmeleistung, ist also etwa doppelt so groß wie die Kollektorwärmeleistung.As an example of a heat mirror of the type 4) cold heat is a system in which the heat supplied from a solar collector comes (T to = 60 ° C) and the level of ambient temperature at 30 ° C. With the machine type: Temperature mirror cold from heat, the machine can deliver cooling capacity at a temperature level of around 5 ° C. The amount of cooling capacity is about as large as the heat supplied to the machine from the collector. The dissipated to the environment heat output consists of the sum of the amount of cooling capacity and the collector heat output, that is about twice as large as the collector heat output.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Aufbaus einer Wärmepumpe als Heizung mit Zyklon, Einlassventil V, Kolben, Kolbenstange und Kurbelwelle mit Motor. Auslassventile sind nicht eingezeichnet. Die Wärmepumpenvorrichtung weist eine Kolbenmaschine 10, einen Verdampfer 20, eine Zykloneinheit 30, ein Entspannungsventil 40, mindestens zwei Rückschlagventile 50, einen Vorratsbehälter 60, einen Auffangbehälter 70, ein Auslassventil 80 sowie einen Wärmetau- scher 90, über den Wärme abgegeben werden kann, auf. Bei der Komprimierung des dampfförmigen Arbeitsmediums mittels der Kolbenmaschine 10 wird ein Arbeitsmedium in einer flüssigen Phase in die Zykloneinheit 30 eingebracht. Der komprimierte Dampf kondensiert in das flüssige Arbeitsmedium in der Zykloneinheit 30 hinein. Somit wird eine flüssige Phase während des Kompressionsvor- gangs eingespritzt. Die Zykloneinheit 30 dient dazu, die flüssige Phase aufzunehmen und zu verhindern, dass flüssige Phase in den Zylinderraum eingespritzt wird. Die flüssige Phase wird dabei auf eine Kreisbahn in dem Zyklon eingeschossen und bleibt somit im Zyklon. Im Gegensatz dazu wird die dampfförmige Phase in dem Zylinderraum komprimiert und kondensiert bei steigendem Druck in die flüssige Phase hinein und erwärmt dabei die flüssige Phase. Das nicht durch die flüssige Phase in Anspruch genommene Volumen der Zykloneinheit 30 wirkt mit dem Zylindervolumen 15 der Kolbenmaschine zusammen. Somit erstreckt sich das Zylindervolumen sozusagen in die Zykloneinheit 30 hinein. Mit anderen Worten, das Volumen der Zykloneinheit und das Volumen des Zylinderraumes 15 bilden eine Schnittmenge.Fig. 3 shows a schematic representation of a structure of a heat pump as a heater with cyclone, inlet valve V, piston, piston rod and crankshaft with motor. Exhaust valves are not shown. The heat pump device has a piston engine 10, an evaporator 20, a cyclone unit 30, an expansion valve 40, at least two non-return valves 50, a reservoir 60, a collecting container 70, an outlet valve 80 and a heat exchanger 90, via which heat can be delivered , During the compression of the vaporous working medium by means of the piston engine 10, a working medium in a liquid phase is introduced into the cyclone unit 30. The compressed vapor condenses into the liquid working medium in the cyclone unit 30. Thus, a liquid phase is injected during the compression process. The cyclone unit 30 serves to receive the liquid phase and to prevent liquid phase from being injected into the cylinder space. The liquid phase is injected on a circular path in the cyclone and thus remains in the cyclone. In contrast, the vaporous phase in the cylinder space is compressed and condenses with increasing pressure into the liquid phase, thereby heating the liquid phase. The volume of the cyclone unit 30 not occupied by the liquid phase interacts with the cylinder volume 15 of the piston engine. Thus, the cylinder volume extends into the cyclone unit 30, as it were. In other words, the volume of the cyclone unit and the volume of the cylinder space 15 form an intersection.
Die Wärmepumpe erreicht bei den gegebenen Temperaturen eine theoretische Arbeitszahl von ca. 11. Die thermische Nutzleistung Pnutz wird vorzugsweise über einen Gegenstromwärmetauscher entnommen. Im Verdampfer befindet sich beispielsweise Wasser mit einer Temperatur von 20°C bei einem Druck von 23mbar. Im Vorratsbehälter befindet sich Wasser bei 20°C und einem Druck von 1 bar. Im Auffangbehälter befindet sich Wasser mit beispielsweise 80°C bei 0,5 bar Druck. Pab ist in diesem Fall aus der Umgebung zugeführte Wärme. Die Angaben 10% und 90% bedeuten, dass sich die Massenströme des Arbeitsmediums an diesem Abzweig beispielsweise im Verhältnis 10 zu 90 aufteilen. Die in Fig. 3 gezeigte Kolbenmaschine weist eine erste Kolbenstellung, d. h. einen oberen Totpunkt OT auf, welcher dadurch definiert ist, dass das im Zylinder umfasste Volumen minimal ist. Die Kolbenmaschine weist eine zweite Kolbenstellung (unterer Totpunkt UT) auf, welche dadurch definiert ist, dass das im Zylinder umfasste Volumen maximal ist.At the given temperatures, the heat pump achieves a theoretical working value of approx. 11. The useful thermal power P nu t z is preferably taken off via a countercurrent heat exchanger. In the evaporator, for example, water is at a temperature of 20 ° C at a pressure of 23mbar. In the reservoir water is at 20 ° C and a pressure of 1 bar. In the collecting container is water with, for example, 80 ° C at 0.5 bar pressure. P ab is heat supplied from the environment in this case. The figures 10% and 90% mean that the mass flows of the working medium at this branch, for example, in the ratio 10 to 90 split. The piston machine shown in Fig. 3 has a first piston position, ie a top dead center OT, which is defined by the fact that the volume contained in the cylinder is minimal. The piston engine has a second piston position (bottom dead center UT), which is defined by the fact that the volume contained in the cylinder is maximum.
Fig. 4 zeigt einen schematischen Aufbau der Vorkammer mit einer Zykloneinheit gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Hierbei ist beispielhaft der Aufbau einer Vorkammer für eine erfindungsgemäße Wärmepumpe mit angedeuteter tangentialer Einspritzung des Wärmeträgermediums bzw. des Arbeitsmediums durch das Einlassventil bei beispielsweise 1 bar und 20°C und einen Austritt durch das Auslassventil bei 0,5bar und 80°C gezeigt. Im Zyklon 30 bewegt sich das flüssige Wärmeträgermedium auf Kreisbahnen. Das gasförmige Wärmeträgermedium bzw. das Arbeitsmedium kann im Fall der Kondensation vom Zylinder 10 in den Zyklon 30 und im Fall der Verdampfung vom Zyklon 30 in den Zylinder 10 strömen. Berechnungen und Versuche haben gezeigt, dass die Drehgeschwindigkeit des flüssigen Arbeitsmediums trotz der Reibung der Flüssigkeit an der Zyklonwand auf einem Niveau bleibt, das zur Phasentrennung ausreicht. Ebenso f ührt der Wärmeaustausch des flüssigen Arbeitsmediums mit der Zyk- lonwand bei geeigneter Dimensionierung der Maschine und Beschichtung der Vorkammerwände nicht zu einer nennenswerten Beeinträchtigung des Prozesses.Fig. 4 shows a schematic structure of the pre-chamber with a cyclone unit according to a first embodiment. Here, by way of example, the construction of an antechamber for a heat pump according to the invention with indicated tangential injection of the heat transfer medium or the working medium through the inlet valve at for example 1 bar and 20 ° C and an outlet through the outlet valve at 0.5bar and 80 ° C shown. In the cyclone 30, the liquid heat transfer medium moves on circular paths. In the case of condensation, the gaseous heat transfer medium or the working medium can flow from the cylinder 10 into the cyclone 30 and, in the case of evaporation, from the cyclone 30 into the cylinder 10. Calculations and experiments have shown that the rotational speed of the liquid working medium, despite the friction of the liquid on the cyclone wall remains at a level sufficient for phase separation. Likewise, the heat exchange of the liquid working medium with the cycle ion wall with a suitable dimensioning of the machine and coating of the chamber walls not to a significant impairment of the process.
Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch einen Zyklon mit Drall gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Nicht eingezeichnete Leitbleche im Zyklon und eine tangentiale Einspritzung des Arbeitsmediums sorgen für einen Drall. Dieser Drall begünstigt eine Vermischung des flüssigen Arbeitsmediums, wodurch sich die durch den Phasenwechsel an der Flüssigkeitsoberfläche übertragene Wärme gleichmäßig auf die flüssige Phase verteilt.Fig. 5 shows a section through a cyclone with a twist according to a second embodiment. Not shown baffles in the cyclone and a tangential injection of the working medium provide a twist. This swirl promotes a mixing of the liquid working medium, which distributes the heat transferred by the phase change on the liquid surface evenly to the liquid phase.
Fig. 6 zeigt ein T-s-Diagramm des neuartigen Prozesses bei unmittelbarer Einspritzung nach dem Ansaugen des Dampfes (1 ) und bei verzögerter Einspritzung (2) gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Die Abbildung zeigt den idealen Prozessverlauf bei Einspritzung unmittelbar nach Dampfansaugung (1 ). Dieser Prozess kann z.B. zur Brauchwassererwärmung verwendet werden. Außerdem wird der Prozess bei verzögerter Einspritzung (2) gezeigt. Letzterer Prozess kann zur Raumheizung verwendet werden: Dampf bei Umgebungstemperatur, z.B. 10°C, wird zunächst durch adiabate Kompression auf z. B. 28°C komprimiert. Dann wird 25°C warmes flüssiges Arbeitsmedium eingespritzt. Bei weiterer Komprimierung setzt die Kondensation und Erwärmung des Arbeitsmedium auf z. B. 40°C ein. Als x-Achse wurde hier die nicht-spezifische Entropie S (Ws/K) gewählt.Fig. 6 shows a T-s diagram of the novel process in direct injection after the suction of the steam (1) and in delayed injection (2) according to a third embodiment. The figure shows the ideal course of the injection process immediately after steam extraction (1). This process can e.g. be used for domestic water heating. In addition, the delayed injection process (2) is shown. The latter process can be used for space heating: steam at ambient temperature, e.g. 10 ° C, is first by adiabatic compression to z. B. 28 ° C compressed. Then 25 ° C warm liquid working medium is injected. Upon further compression, the condensation and heating of the working medium to z. B. 40 ° C a. The non-specific entropy S (Ws / K) was chosen as x-axis.
Nachfolgend wird die Arbeitsweise der Wärmepumpe detailliert beschrieben.The operation of the heat pump will be described in detail below.
Prozessart Kondensation: Im unteren Totpunkt (UT, siehe Fig. 3) des Kolbens oder mit einer Verzögerung nach UT wird das flüssige Arbeitsmedium in den Zyklon 30 eingespritzt. Im Zylinder 10 befindet sich der zuvor eingesaugte Dampf. Während der Kolben vom UT bis zum oberen Totpunkt (OT) bewegt wird, wird vom Motor die Hubarbeit in die Wärmepumpe gesteckt. Dabei wird der zuvor eingesaugte Dampf komprimiert und in die zuvor eingespritzte flüssige Phase kondensiert. Im OT wird das erwärmte flüssige Arbeitsmedium ausgestoßen. Ist das Wärmeträgermedium ausgestoßen, so wird das Auslassventil 50 geschlossen. Während des Rückwegs des Kolbens vom OT zum UT wird der im Verdampfer 20 erzeugte Dampf in den Arbeitsraum 15 des Zylinders eingesogen. Hierzu werden ein oder mehrere Einlassventile geöffnet. Damit ist der Kreislauf geschlossen. Das dargestellte System ist in der grundsätzlichen Bauform sehr einfach aufgebaut. Es benötigt zur Befüllung und Entleerung des Zylinders lediglich ein Einspritzventil und zwei Rückschlagventile.Process type condensation: In the bottom dead center (UT, see FIG. 3) of the piston or with a delay to UT, the liquid working medium is injected into the cyclone 30. In the cylinder 10 is the previously sucked steam. While the piston is being moved from BDC to top dead center (TDC), the engine is putting the lifting work into the heat pump. In this case, the previously aspirated vapor is compressed and condensed into the previously injected liquid phase. In the OT, the heated liquid working medium is expelled. is the heat transfer medium ejected, the exhaust valve 50 is closed. During the return of the piston from the TDC to the UT, the vapor generated in the evaporator 20 is sucked into the working space 15 of the cylinder. For this purpose, one or more inlet valves are opened. This completes the cycle. The illustrated system is very simple in the basic design. It only takes one injection valve and two check valves to fill and empty the cylinder.
Prozessart Verdampfung: Im OT wird flüssiges Wärmeträgermedium in den Zylinderraum eingespritzt. Beim Weg des Kolbens vom OT zum UT wird Wärme- trägermedium verdampft und das flüssige Wärmeträgermedium dabei abgekühlt. Im UT wird das flüssige Wärmeträgermedium aus dem Zylinderraum entfernt. Auf dem Weg des Kolbens vom UT zum OT wird der Dampf ausgestoßen und in einem Kondensator kondensiert. Im OT werden die Dampfauslassventile geschlossen. Der Prozess beginnt von vorne.Process type evaporation: In the OT, liquid heat transfer medium is injected into the cylinder chamber. When the piston travels from the TDC to the TDC, the heat transfer medium is vaporized and the liquid heat transfer medium is cooled. In UT, the liquid heat transfer medium is removed from the cylinder chamber. On the way of the piston from BDC to TDC, the steam is expelled and condensed in a condenser. In the OT, the steam outlet valves are closed. The process starts from the beginning.
Eine Maschine, die aus einem höheren Temperaturniveau als das Umgebungsniveau Wärme aufnimmt und aus einem niedrigeren Temperaturniveau als das Umgebungsniveau Wärme aufnimmt, oder eine Maschine, die an ein höheres Temperaturniveau als das Umgebungsniveau Wärme abgibt und an ein niedrigeres Temperaturniveau als das Umgebungsniveau Wärme abgibt, wird hier eben- falls als Wärmepumpe bezeichnet. Die letztgenannten beiden Arten von Wärmepumpen werden als Wärmespiegel bezeichnet, wenn bei einem idealen Prozessverlauf die erreichten Temperaturunterschiede zwischen den Kalt- und den Heißniveaus zum Umgebungsniveau in erster Näherung gleich sind und die umgesetzten Wärmemengen gleich sind.A machine that picks up heat from a higher temperature level than the ambient level and picks up heat from a lower temperature level than the surrounding level, or a machine that gives off heat to a higher temperature level than the surrounding level and gives off heat to a lower temperature level than the surrounding level also referred to here as a heat pump. The latter two types of heat pumps are referred to as heat mirrors, when in an ideal course of the process, the temperature differences between the cold and the hot levels to the ambient level are equal in first approximation and the amounts of heat converted are the same.
Als Beispiel einer Verdrängungsmaschine kann eine Kolbenmaschine gewählt werden. Prinzipiell ist jedoch die Verwendung jeglicher Art von Verdrängungsmaschine zur Verwirklichung der Dreiecksprozesse gemäß der Erfindung möglich. Bei der nachfolgend beschriebenen Kolbenmaschine ist die Kolbenstellung oberer Totpunkt, auch OT genannt, dadurch definiert, dass das im Zylinder umfasste Volumen in dieser Kolbenstellung minimal ist. Entsprechend ist der untere Tot- punkt, auch UT genannt, dadurch definiert, dass das im Zylinder umfasste Volumen in dieser Kolbenstellung maximal ist.As an example of a displacement machine, a reciprocating engine can be selected. In principle, however, the use of any type of displacement machine for the realization of the triangular processes according to the invention is possible. In the piston machine described below, the piston position top dead center, also called OT, defined by the fact that the volume contained in the cylinder is minimal in this piston position. Accordingly, the lower dead point, also called UT, defined by the fact that the volume contained in the cylinder is maximum in this piston position.
Nachfolgend werden zwei Arten von Dreiecksprozessen in Wärmepumpen beschrieben. In der ersten Art kondensiert Arbeitsmedium im Arbeitsraum (hier: Zylinderraum) der Kompressionsmaschine, in der zweiten Art verdampft Arbeitsmedium im Arbeitsraum (hier: Zylinderraum) der Expansionsmaschine.Two types of triangular processes in heat pumps are described below. In the first type, working fluid condenses in the working space (here: cylinder space) of the compression machine, in the second type working fluid evaporates in the working space (here: cylinder space) of the expansion machine.
Die erste Art des dreieckigen Zyklus zeichnet sich dadurch aus, dass zunächst ein Arbeitsmedium auf Temperaturniveau der Umgebung unter Wärmezufuhr in dem Verdampfer (beispielsweise Verdampfer 20) verdampft wird (Wärmeauf- nähme). Der Dampf wird bei der Expansion, hier bei der Kolbenbewegung vom oberen Totpunkt OT zum unteren Totpunkt UT, in den Zylinder gesogen. Im unteren Totpunkt UT oder zwischen unterem Totpunkt UT und oberem Totpunkt OT wird flüssiges und kaltes Arbeitsmedium in den Zylinderraum eingebracht. Bei der Kolbenbewegung vom unteren Totpunkt UT zum oberen Totpunkt OT kon- densiert der eingeschlossene Dampf in die eingespritzte flüssige und kalte Phase und erwärmt diese. Im oberen Totpunkt OT wird die flüssige Phase aus dem Zylinderraum entfernt. Die erwärmte flüssige Phase kann dann die ihr zugeführte Wärme als Nutzwärme abgeben.The first type of triangular cycle is characterized in that first a working medium is evaporated to the temperature level of the environment while supplying heat in the evaporator (for example, evaporator 20) (heat consumption). The steam is sucked into the cylinder during the expansion, in this case during the piston movement from top dead center OT to bottom dead center UT. In bottom dead center UT or between bottom dead center UT and top dead center OT liquid and cold working medium is introduced into the cylinder chamber. As the piston moves from bottom dead center UT to top dead center TDC, the trapped vapor condenses into and heats the injected liquid and cold phases. At top dead center OT, the liquid phase is removed from the cylinder space. The heated liquid phase can then deliver the heat supplied to them as useful heat.
Die zweite Art des dreieckigen Zyklus zeichnet sich dadurch aus, dass im Be- reich des oberen Totpunktes OT flüssiges Arbeitsmedium in die Kolbenmaschine eingebracht wird. Bewegt sich nun der Kolben vom oberen Totpunkt OT zum unteren Totpunkt UT, verdampft ein Teil des Arbeitsmediums und das Arbeitsmedium kühlt sich ab. Ist der Kolben im unteren Totpunkt UT, wird die abgekühlte flüssige Phase aus dem Zylinderraum entfernt und zu Kühlzwecken verwendet.The second type of triangular cycle is distinguished by the fact that liquid working medium is introduced into the piston engine in the region of top dead center OT. If now the piston moves from top dead center OT to bottom dead center UT, part of the working medium evaporates and the working fluid cools down. If the piston is at bottom dead center UT, the cooled liquid phase is removed from the cylinder chamber and used for cooling purposes.
Voraussetzung für den kontrollierten Phasenwechsel ist bei beiden Zyklusarten, dass den Zylinderraum umfassende Oberflächen eine höhere Temperatur aufweisen als die flüssige Phase; besagte Oberflächen müssen aus diesem Grund ggf. beheizt und/oder beschichtet ausgeführt sein. Die Kolbenmaschine stellt ein Beispiel für eine diskontinuierlich arbeitende Verdrängungsmaschine dar. Der Dreiecksprozess ist aber auch in anderen Verdrängungsmaschinen umsetzbar. Wichtig für den Prozess ist im Wesentlichen eine isentrope Kompression oder Expansion. Als Beispiel für eine Verdrängungsma- schine sei eine Schraubenmaschine oder ein Scrollverdichter genannt. Dass zur Zeit erhältliche Schraubenmaschinen ein zu geringes Kompressions- bzw. Entspannungsverhältnis aufweisen, sei am Rande bemerkt. Die beiden o. g. Prozesse werden in Verdrängungsmaschinen wie folgt realisiert:The prerequisite for the controlled phase change in both cycle types is that surfaces comprising the cylinder space have a higher temperature than the liquid phase; For these reasons, said surfaces may need to be heated and / or coated. The piston machine is an example of a discontinuous displacement machine. However, the triangular process can also be implemented in other displacement machines. Essential for the process is essentially an isentropic compression or expansion. An example of a displacement machine is a screw machine or a scroll compressor. The fact that currently available screw machines have too low a compression or expansion ratio, is noted marginally. The two above-mentioned processes are realized in displacement machines as follows:
Die erste Art des Zyklus zeichnet sich durch eine Kompression eines Fluids aus, das in zwei Phasen vorliegt. Folglich wird zunächst Dampf in einem Verdampfer erzeugt und von der Kompressionsmaschine angesogen. Vor dem Eintritt des Dampfes in die Kompressionsmaschine oder nach einer Vorverdichtung des Dampfes in der Kompressionsmaschine wird flüssige Phase in den Dampf eingebracht. In der Kompressionsmaschine wird das Gemisch weiter komprimiert. Dabei kondensiert der Dampf in die flüssige Phase hinein. Wird der Dampf vollständig kondensiert, so liegt am Austritt der Maschine nur noch flüssige Phase vor. In diesem Idealfall und bei isentropen Verhältnissen kann der vollständige Dreiecksprozess realisiert werden. Wie bei der Kolbenmaschine gibt das heiße flüssige Medium nach Austritt aus der Maschine seine Wärme als Nutzwärme ab.The first type of cycle is characterized by a compression of a fluid which exists in two phases. Consequently, steam is first generated in an evaporator and sucked by the compression machine. Before entering the steam in the compression machine or after a pre-compression of the steam in the compression machine, liquid phase is introduced into the steam. In the compression machine, the mixture is further compressed. The vapor condenses into the liquid phase. If the steam is completely condensed, then there is only liquid phase at the outlet of the machine. In this ideal case and with isentropic conditions, the complete triangular process can be realized. As with the piston engine, the hot liquid medium releases its heat as useful heat after it leaves the machine.
Die zweite Art des Zyklus stellt sich im allgemeinen Fall der Expansionsmaschine folgendermaßen dar: flüssiges Arbeitsmedium wird in die Expansionsmaschine eingebracht. Durch die Expansion wird Dampferzeugung erzwungen. Die erforderliche Verdampfungsleistung wird der flüssigen Phase entnommen, wodurch diese abkühlt und nach dem Austritt aus der Maschine zu Kühlzwecken verwen- det werden kann.The second type of cycle is in the general case of the expansion machine as follows: liquid working medium is introduced into the expansion machine. The expansion forces steam production. The required evaporation capacity is taken from the liquid phase, whereby it cools and can be used after leaving the machine for cooling purposes.
Wärmedämmende Beschichtungen der Oberflächen des Arbeitsraumes begünstigen eine isentrope Prozessführung.Heat-insulating coatings on the surfaces of the working area favor isentropic process control.
Da der Zylinder beheizt ausgeführt ist, wird konvektiv Wärme an das flüssige und das gasförmige Arbeitsmedium abgegeben. Dieser Wärmeübergang ist mit Exer- gieverlust verbunden und somit für den Prozess schädlich. Da Zylinderwand und Arbeitsmedium teilweise erheblich voneinander abweichende Temperaturen aufweisen, muss der Wärmeübergang durch Maßnahmen verringert werden. Berechnungen und Versuche zeigen in diesem Zusammenhang:Since the cylinder is designed to be heated, convective heat is given off to the liquid and the gaseous working medium. This heat transfer is accompanied by exer- loss of energy and thus harmful to the process. Since cylinder wall and working medium sometimes have significantly different temperatures, the heat transfer must be reduced by measures. Calculations and experiments show in this context:
Der Wärmeübergang von der Zylinderwand an das gasförmige Arbeitsmedium ist geringfügig aufgrund der geringen Gasgeschwindigkeiten und der geringen Dichte des Gases.The heat transfer from the cylinder wall to the gaseous working medium is slight due to the low gas velocities and the low density of the gas.
Der Wärmeübergang von der Zyklonwand an das flüssige Arbeitsmedium wird durch Beschichtung der entsprechenden Zyklonwand mit einem wärmeisolieren- den Material, z.B. Teflon, Keramik oder Email und/oder durch besondere Arten der Einspritzung des Arbeitsmediums auf unschädlichem Niveau gehalten werden.The heat transfer from the cyclone wall to the liquid working medium is achieved by coating the corresponding cyclone wall with a heat-insulating material, e.g. Teflon, ceramic or enamel and / or by special types of injection of the working fluid to be kept harmless level.
Zur Einspritzung des flüssigen Arbeitsmediums werden zwei Möglichkeiten vorgesehen:For injection of the liquid working medium two possibilities are provided:
Das flüssige Arbeitsmedium wird auf eine Kreisbahn in einer Vorkammer des Zylinders eingespritzt. Wir nennen diese Kreisbahn nachfolgend auch Zyklon. Das flüssige Arbeitsmedium verbleibt in der Vorkammer, während sich das gasförmige Arbeitsmedium durch eine Überströmöffnung zwischen Vorkammer und Zylinderraum je nach den herrschenden Druckverhältnissen zwischen den Räu- men bewegen kann.The liquid working medium is injected onto a circular path in an antechamber of the cylinder. Below we also call this circular path cyclone. The liquid working medium remains in the prechamber, while the gaseous working medium can move through an overflow opening between the prechamber and the cylinder space, depending on the prevailing pressure conditions between the rooms.
Das flüssige Arbeitsmedium wird beim Einspritzvorgang in möglichst kleine Tröpfchen zerstäubt. Die Tröpfchen verteilen sich im Zylinderraum. Nur Tröpfchen, die in die unmittelbare Nähe der beheizten Oberflächen gelangen, können an diesen Oberflächen Wärme aufnehmen. Da die Wärmeaufnahme mit der Verdampfung der Tröpfchen verbunden ist, steigt der Dampfmassenanteil im Bereich der beheizten Oberflächen und der Dampf an den Oberflächen überhitzt. Der überhitzte Dampf hemmt weitere Flüssigkeitstropfen in der Bewegung in Richtung zu den beheizten Oberflächen, was den Wärmeübergang verringert. Wichtig bei der Kondensation in das flüssige Arbeitsmedium ist eine gute Verteilung der Kondensationswärme innerhalb der flüssigen Phase.The liquid working medium is atomized during the injection process into the smallest possible droplets. The droplets are distributed in the cylinder space. Only droplets that come in the immediate vicinity of the heated surfaces can absorb heat on these surfaces. Since the heat absorption is associated with the evaporation of the droplets, the proportion of steam in the area of the heated surfaces increases and the vapor on the surfaces overheats. The superheated vapor inhibits further drops of liquid from moving toward the heated surfaces, reducing heat transfer. Important in the condensation in the liquid working medium is a good distribution of the heat of condensation within the liquid phase.
Im Fall der Einspritzung in den Zyklon führt die reibungsbehaftete Strömung des flüssigen Arbeitsmediums zu dessen vermischtem Zustand. Zusätzlich kann der Zyklon zur Vermischung des Arbeitsmediums eine besondere Bauform aufweisen, die eine Verwirbelung des Arbeitsmediums erlaubt. Wärme, die durch die Kondensation an der Oberfläche der flüssigen Phase abgegeben wird, wird somit aufgrund der Vermischung schnell genug in der gesamten flüssigen Phase verteilt. Der Zyklon hat den Vorteil, dass die Entfernung des flüssigen Arbeitsmedi- ums aus dem Zylinder einfach erfolgen kann: wird ein Auslassventil am Zyklongrund geöffnet, so helfen die Zentrifugalkräfte dabei, das flüssige Arbeitsmedium aus der Vorkammer zu entfernen.In the case of injection into the cyclone, the frictional flow of the liquid working medium leads to its mixed state. In addition, the cyclone for mixing the working fluid having a special design that allows turbulence of the working fluid. Heat released by the condensation on the surface of the liquid phase is thus dispersed quickly enough throughout the liquid phase due to the mixing. The cyclone has the advantage that removal of the liquid working medium from the cylinder can be carried out easily: if an outlet valve is opened on the cyclone bottom, the centrifugal forces help to remove the liquid working medium from the antechamber.
Im Fall der Einspritzung als Sprühnebel stellt die Verteilung der Kondensationswärme kein Problem dar: die Flüssigkeitstropfen können sehr klein gewählt wer- den, so dass die Verteilung der Wärme innerhalb der Tröpfchen durch Wärmeleitung sehr schnell erfolgt. Die Wärmeverteilung innerhalb der Nebelwolke ergibt sich zwangsweise aus Partialdruckunterschieden: die Kondensation ist an der kältesten Stelle immer am größten und führt so zu einem Temperaturausgleich in der Wolke.In the case of injection as a spray mist, the distribution of the heat of condensation poses no problem: the liquid droplets can be chosen to be very small, so that the distribution of the heat within the droplets is very fast due to heat conduction. The distribution of heat within the cloud of fog necessarily results from partial pressure differences: the condensation is always greatest at the coldest point and thus leads to a temperature compensation in the cloud.
Somit betrifft die vorliegende Erfindung den Aufbau und die Funktion einer Wärmepumpe mit einem Phasenwechsel des Arbeitsmediums im Zylinderrraum einer Kolbenmaschine, wobei das Wärmeträgermedium flüssig und verdampfbar ist und in flüssiger Form in den Zylinderraum eingespritzt wird. Somit wird eine Wärmepumpe vorgesehen, bei welcher flüssiges Arbeitsmedium eingespritzt wird.Thus, the present invention relates to the structure and function of a heat pump with a phase change of the working medium in the cylinder space of a piston engine, wherein the heat transfer medium is liquid and vaporizable and is injected in liquid form into the cylinder chamber. Thus, a heat pump is provided in which liquid working medium is injected.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das flüssige Arbeitsmedium in einen Teilbereich des Zylinderraums der Maschine, nämlich die Vorkammer, eingespritzt. Das Arbeitsmedium bewegt sich in kreisähnlichen Bahnen, wobei das flüssige Wärmeträgermedium aufgrund der hohen Dichte und auf- grund der dadurch hervorgerufenen Zentrifugalkräfte zum überwiegenden Teil in der Vorkammer gehalten wird, während dampfförmiges Arbeitsmedium in den gesamten Zylinderraum entweichen und vom Zylinderraum in die Vorkammer eindringen kann.According to one aspect of the present invention, the liquid working fluid is injected into a portion of the cylinder space of the engine, namely the pre-chamber. The working medium moves in circular paths, the liquid heat transfer medium due to the high density and Because of the centrifugal forces caused thereby predominantly in the antechamber is kept, while vaporous working medium escape into the entire cylinder chamber and can penetrate from the cylinder chamber into the prechamber.
Somit weist die Wärmepumpe einen Arbeitsraum, der aus Zylinderraum und Vorkammer besteht, auf, wobei der Zylinderraum und die Vorkammer in einer Weise miteinander verbunden sind, dass eine Überströmung von Dampf möglich ist. Ein verdampfbares Arbeitsmedium wird in flüssiger Form in die Vorkammer eingebracht, wobei das Arbeitsmedium auf eine kreisähnliche Bahn eingebracht wird. Die kreisähnliche Bahn der flüssigen Phase bewirkt Zentrifugalkräfte, welche die flüssige Phase aufgrund der hohen Dichte stark radial beschleunigen. Die radiale Beschleunigung und die bauliche Ausführung des Zyklon bewirken, dass die flüssige Phase nicht aus der Vorkammer austreten kann. Das Volumen der Zyklonvorrichtung (Totraum) sollte bei dem Aufbau möglichst klein sein. Mit anderen Worten, das Volumen zwischen dem Kolben am oberen Totpunkt und dem nicht durch die flüssige Phase benötigten Volumen der Zykloneinheit sollte möglichst klein sein.Thus, the heat pump has a working space consisting of cylinder space and pre-chamber, wherein the cylinder space and the pre-chamber are connected in such a way that an overflow of steam is possible. An evaporable working medium is introduced in liquid form into the pre-chamber, wherein the working medium is introduced onto a circle-like path. The circular path of the liquid phase causes centrifugal forces which greatly radially accelerate the liquid phase due to the high density. The radial acceleration and the structural design of the cyclone cause that the liquid phase can not escape from the antechamber. The volume of the cyclone device (dead space) should be as small as possible in the structure. In other words, the volume between the piston at top dead center and the volume of the cyclone unit not required by the liquid phase should be as small as possible.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung erhält das Arbeitsmedium im Zyklon zusätzlich zur kreisförmigen Bewegung einen Drall, wodurch die Vermischung des Arbeitsmediums verbessert wird. Der Zyklon ist im Querschnitt im Wesentlichen kreisförmig ausgeführt, so dass das Arbeitsmedium mit einem Drall versehen werden kann. Der Drall dient dazu, eine innige Vermischung des Arbeitmediums zu begünstigen und die Ausbildung eines für den Prozesswirkungsgrad schädlichen Temperaturgradienten im Arbeitsmedium zu verhindern.According to a further aspect of the invention, the working medium in the cyclone in addition to the circular movement receives a twist, whereby the mixing of the working medium is improved. The cyclone is designed substantially circular in cross-section, so that the working medium can be provided with a swirl. The swirl serves to promote an intimate mixing of the working medium and to prevent the formation of a harmful for the process efficiency temperature gradient in the working medium.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind die Wände des Zyklons, die mit der flüssigen Phase in Berührung kommen, mit einem schlecht wärmeleitenden Material beschichtet. Zur Verringerung des konvektiven Wärmeübergangs vom flüssigen Arbeitsmedium an die Zyklonwand wird die Zyklonwand mit einer schlecht wärmeleitenden Beschichtung versehen. Diese Beschichtung kann beispielsweise Teflon, Keramik oder Email sein. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird das Arbeitsmedium in flüssiger Form in den Zylinderraum der Maschine eingespritzt, wobei die flüssige Phase mittels einer Einspritzdüse zerstäubt wird. Somit wird eine Wärmepumpe vorgesehen, bei der das flüssige Arbeitsmedium während des Einspritzvorgangs mit- tels einer Einspritzdüse möglichst fein zerstäubt wird.According to a further aspect of the invention, the walls of the cyclone, which come into contact with the liquid phase, coated with a poor thermal conductivity material. To reduce the convective heat transfer from the liquid working fluid to the cyclone wall, the cyclone wall is provided with a poorly heat-conductive coating. This coating can be, for example, Teflon, ceramic or enamel. According to a further aspect of the invention, the working medium is injected in liquid form into the cylinder chamber of the machine, wherein the liquid phase is atomized by means of an injection nozzle. Thus, a heat pump is provided in which the liquid working medium is atomized as finely as possible during the injection process by means of an injection nozzle.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die dem dampfgefüllten Raum des Zylinders zugewandte Oberfläche des Kolbens mit einem schlecht wärmeleitenden Material beschichtet. Zur Verringerung des konvektiven Wärmeübergangs vom Arbeitsmedium an den Kolben wird die betreffende Oberfläche des Kolbens mit einer schlecht wärmeleitenden Beschichtung versehen. Diese Beschichtung kann beispielsweise Teflon, Keramik oder Email sein.According to a further aspect of the invention, the surface of the piston facing the vapor-filled space of the cylinder is coated with a material having poor thermal conductivity. To reduce the convective heat transfer from the working fluid to the piston, the relevant surface of the piston is provided with a poorly heat-conductive coating. This coating can be, for example, Teflon, ceramic or enamel.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die mit dem entstehenden Dampf in Berührung kommenden Aufbauteile wie Zyklonwand, Zylinderwand oder Kolben beheizt ausgeführt. Wenn das Gas komprimiert wird, so müssen die der gasförmigen Phase zugänglichen Bauteile der Maschine eine Temperatur besitzen, die größer ist als die Kondensationstemperatur bei dem gerade herrschenden Dampfdruck. Wären die Oberflächen der Bauteile kälter, so würde ein Teil der gasförmigen Phase an diesen Oberflächen schlagartig kondensieren. Die kondensierte Phase würde nicht mehr zur Kondensation ins Ar- beitsmedium bereitstehen, und Leistung und Arbeitszahl der Maschine würden sich verringern.According to a further aspect of the present invention, the structural parts coming into contact with the resulting steam, such as the cyclone wall, cylinder wall or piston, are designed to be heated. When the gas is compressed, the gaseous phase accessible components of the engine must be at a temperature greater than the condensation temperature at the instantaneous vapor pressure. If the surfaces of the components were colder, part of the gaseous phase would condense abruptly on these surfaces. The condensed phase would no longer be available for condensation in the working medium, and the machine's performance and workload would be reduced.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die Auslassventile im Bereich des oberen Totpunktes geschlossen, worauf der Einlass von Dampf bis zum unteren Totpunkt erfolgt, worauf die Einlassventile geschlossen werden und unmittelbar oder mit einer Verzögerung flüssiges Arbeitsmedium eingespritzt wird, worauf die Komprimierung und Kondensation des Dampfs in die flüssige Phase erfolgt, worauf im oberen Totpunkt das Auslassventil geöffnet wird und damit das Ausstoßen der erwärmten flüssigen Phase erfolgt. Danach beginnt der Zyklus von neuem. Dieser Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Prozess- führung bei der Prozessart Kondensation. Bei der Maschine kann man von einem Zweitakter sprechen. Im OT werden die Einlassventile für den Dampf geöffnet. Bis zum Erreichen des UT wird Dampf aus dem Verdampfer eingesogen. Im UT werden die Einlassventile geschlossen und unmittelbar oder mit einer Verzögerung flüssiges Arbeitsmedium eingespritzt. Sind der Dampf und das flüssige Arbeitsmittel auf gleicher Temperatur, kann unmittelbar nach dem Schließen der Einlassventile eingespritzt werden. Ist die einzuspritzende flüssige Phase wärmer als die Dampfphase, so wird erst eingespritzt, wenn der im Zylinder befindliche Dampf soweit komprimiert wurde, bis der Druck des Dampfes dem Dampfdruck der flüssigen Phase entspricht. Bei der Bewegung des Kolbens vom UT zum OT wird der Dampf komprimiert, und es setzt Kondensation des Dampfes in die flüssige Phase ein. Im OT wird die flüssige Phase entnommen. Danach werden wieder die Einlassventile geöffnet, womit der Kreislauf geschlossen ist. Während des Prozesses wird das dampfförmige im Zylinder befindliche Arbeitsmedium komprimiert, wobei es an der kältesten Stelle, nämlich in die eingespritzte flüssi- ge Phase kondensiert und dabei die flüssige Phase erwärmt. Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das eingespritzte flüssige Arbeitsmedium auch eine Temperatur aufweisen kann, die geringer ist als die Umgebungstemperatur. In diesem Fall tritt bei der Einspritzung eine schlagartige Reduktion des Dampfdruckes ein. Die Einspritzvariante kaltes Wasser wird beispielsweise beim Wärme- pumpentyp Wärme aus Kälte eingesetzt. Bei geeigneter Temperaturwahl des kalten flüssigen Arbeitsmediums ist ein Betrieb der Wärmepumpe ohne mechanisch zugeführte Antriebsenergie möglich.According to one aspect of the present invention, the exhaust valves are closed in the region of top dead center, followed by the admission of steam to bottom dead center, whereupon the inlet valves are closed and liquid working fluid is injected directly or with a delay, followed by compression and condensation of the vapor in the liquid phase, whereupon the exhaust valve is opened at top dead center and thus the ejection of the heated liquid phase takes place. Then the cycle starts again. This aspect of the present invention relates to the process management in the process type condensation. With the machine one can of a Two-stroke talk. In the TDC, the inlet valves for the steam are opened. Steam is drawn from the evaporator until UT is reached. In UT, the inlet valves are closed and liquid working fluid is injected directly or with a delay. If the steam and the liquid working fluid are at the same temperature, they can be injected immediately after closing the intake valves. If the liquid phase to be injected is warmer than the vapor phase, it is not injected until the steam in the cylinder has been compressed until the pressure of the steam corresponds to the vapor pressure of the liquid phase. During the movement of the piston from BDC to OT, the steam is compressed and it causes condensation of the vapor in the liquid phase. In the TDC, the liquid phase is removed. Thereafter, the inlet valves are opened again, whereby the circuit is closed. During the process, the vaporous working medium in the cylinder is compressed, whereby it condenses at the coldest point, namely in the injected liquid phase, thereby heating the liquid phase. It is expressly understood that the injected liquid working fluid may also have a temperature lower than the ambient temperature. In this case, a sudden reduction of the vapor pressure occurs during the injection. The injection variant cold water is used, for example, for the heat pump type heat from cold. With a suitable temperature selection of the cold liquid working medium operation of the heat pump without mechanically supplied drive energy is possible.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die Auslassventile im Bereich des oberen Totpunktes verschlossen, worauf flüssiges Ar- beitsmedium eingespritzt wird, worauf die Expansion beginnt und die Verdampfung aus der flüssigen Phase und dabei die Abkühlung der flüssigen Phase erfolgt, worauf im unteren Totpunkt die flüssige Phase entnommen wird und die Auslassventile für die gasförmige Phase geöffnet werden, worauf bis zum Erreichen des oberen Totpunktes der Ausstoß der gasförmigen Phase erfolgt. An- schließend beginnt der Zyklus von neuem. Dieser Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Prozessführung bei der Prozessart Verdampfung. Im Bereich des oberen Totpunktes (OT) des Kolbens wird das oder die Auslassventile geschlos- sen und danach das Arbeitsmedium eingespritzt. Auf dem Weg des Kolbens vom OT zum unteren Totpunkt (UT) verdampft ein Teil des Arbeitsmediums. Die einsetzende Verdampfung führt zu einer Abkühlung des flüssigen Arbeitsmediums. Im Bereich des UT wird die flüssige Phase des Arbeitmediums aus dem Zylinderraum entfernt. Auf dem Weg des Kolbens vom UT zu OT wird die entstandene gasförmige Phase durch ein Auslassventil ausgestoßen und in einem Kondensator kondensiert. Ausdrücklich sei darauf hingewiesen, dass das Ausstoßen des Dampfes in den Kondensator auch erfolgen kann, wenn der Kondensatordruck höher ist als der Dampfdruck im Zylinder im UT. In diesem Fall muss der Kolben den im Zylinder befindlichen Dampf zunächst so stark komprimieren, bis der Kondensatordruck erreicht ist. Erst dann wird das Auslassventil geöffnet. Diese Prozessführung betrifft z. B. den Wärmepumpentyp Kälte aus Wärme. Bei geeigneter Temperaturwahl des heißen Wassers ist ein Betrieb der Wärmepumpe ohne mechanisch zugeführte Antriebsenergie möglich.According to another aspect of the present invention, the exhaust valves are closed in the region of top dead center, whereupon liquid working medium is injected, whereupon the expansion begins and the evaporation from the liquid phase and thereby the cooling of the liquid phase takes place, whereupon at bottom dead center liquid phase is removed and the outlet valves are opened for the gaseous phase, followed by reaching the top dead center of the ejection of the gaseous phase. The cycle then begins again. This aspect of the present invention relates to the process control in the evaporation process. In the region of top dead center (TDC) of the piston, the exhaust valve (s) is closed. and then injected the working medium. On the way of the piston from the TDC to the bottom dead center (UT) evaporates a part of the working medium. The onset of evaporation leads to a cooling of the liquid working medium. In the area of UT, the liquid phase of the working medium is removed from the cylinder space. On the way of the piston from UT to TDC, the resulting gaseous phase is expelled through an outlet valve and condensed in a condenser. It should be expressly pointed out that the expulsion of the vapor into the condenser can also take place when the condenser pressure is higher than the vapor pressure in the cylinder in the UT. In this case, the piston must first compress the steam in the cylinder until the condenser pressure is reached. Only then will the exhaust valve be opened. This litigation concerns z. B. the heat pump cold from heat. With a suitable temperature selection of the hot water operation of the heat pump without mechanically supplied drive energy is possible.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt das eingespritzte Wärmeträgermedium Wasser dar. According to another aspect of the present invention, the injected heat transfer medium is water.

Claims

Ansprüche claims
1. Wärmepumpenvorrichtung, mit einer Zykloneinheit (30) und einer Kolbenmaschine (10) mit einem Zylinderraum (15), wobei ein flüssiges Arbeitsmedium in die Zykloneinheit (30) eingespritzt wird, während dampfförmiges Arbeitsmedium durch die Kolbenmaschine komprimiert wird oder in der Kolbenmaschine entspannt.A heat pump device comprising a cyclone unit (30) and a piston engine (10) having a cylinder space (15), wherein a liquid working fluid is injected into the cyclone unit (30) while vaporous working fluid is compressed by the piston engine or expanded in the piston engine.
2. Wärmepumpenvorrichtung nach Anspruch 1 , wobei das eingespritzte flüssige Arbeitsmedium sich auf kreisähnlichen Bahnen in der Zykloneinheit (30) bewegt und somit in der Zykloneinheit (30) gehalten wird, während dampfförmiges Arbeitsmedium aus dem Zylinderraum in die Zykloneinheit (30) eindringen kann oder von der Zykloneinheit (30) in den Zylinderraum entweichen kann.2. Heat pump apparatus according to claim 1, wherein the injected liquid working fluid moves on circular-like paths in the cyclone unit (30) and thus in the cyclone unit (30) is held, while vaporous working medium from the cylinder chamber in the cyclone unit (30) can penetrate or from the cyclone unit (30) can escape into the cylinder chamber.
3. Wärmepumpenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das flüssige Arbeitsmedium einen Drall erhält, wenn es in die Zykloneinheit eingespritzt wird oder sich in der Zykloneinheit (30) bewegt.3. A heat pump apparatus according to claim 1 or 2, wherein the liquid working fluid receives a twist when it is injected into the cyclone unit or moves in the cyclone unit (30).
4. Wärmepumpenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Zykloneinheit Wände aufweist, welche zumindest teilweise mit einem schlecht wärmeleitenden Material beschichtet sind.4. Heat pump device according to one of claims 1 to 3, wherein the cyclone unit has walls which are at least partially coated with a poor thermal conductivity material.
5. Wärmepumpenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Oberfläche des Kolbens zumindest teilweise mit einem schlecht wärmeleitenden5. Heat pump device according to one of claims 1 to 4, wherein the surface of the piston at least partially with a poor heat-conducting
Material beschichtet ist.Material is coated.
6. Wärmepumpenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Zykloneinheit, die Zylinderwände und/oder der Kolben zumindest teilweise beheizt wird.6. Heat pump device according to one of claims 1 to 5, wherein the cyclone unit, the cylinder walls and / or the piston is at least partially heated.
7. Wärmepumpenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei Auslassventile geschlossen werden, wenn sich der Kolben im Bereich des oberen Totpunktes befindet, wobei ein Dampfeinlass bis zu dem unteren Totpunkt des Kolbens erfolgt, wobei Einlassventile geschlossen werden und flüssiges Arbeitsmedium in die Zykloneinheit (30) eingespritzt wird, wobei eine Komprimierung und Kondensation des Dampfes in die flüssige Phase erfolgt, wobei das Auslass- ventil geöffnet wird, wenn sich der Kolben am oberen Totpunkt befindet, wobei die erwärmte flüssige Phase ausgestoßen wird.7. A heat pump apparatus according to any one of claims 1 to 6, wherein exhaust valves are closed when the piston in the region of the upper Totpunktes is located, with a steam inlet is up to the bottom dead center of the piston, intake valves are closed and liquid working fluid is injected into the cyclone unit (30), wherein a compression and condensation of the vapor takes place in the liquid phase, wherein the outlet valve is opened is when the piston is at top dead center, wherein the heated liquid phase is ejected.
8. Wärmepumpenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei Auslassventile im Bereich des oberen Totpunktes geschlossen werden, wobei flüssiges Arbeitsmedium eingespritzt wird, wobei die Expansion erfolgt und die Ver- dampfung aus der flüssigen Phase erfolgt, wobei eine Abkühlung der flüssigen Phase erfolgt, wobei die flüssige Phase im unteren Totpunkt entnommen wird und die Auslassventile für die gasförmige Phase geöffnet werden, so dass ein Ausstoß der gasförmigen Phase zum Erreichen des oberen Totpunktes erfolgt.8. A heat pump device according to any one of claims 1 to 6, wherein exhaust valves are closed in the region of top dead center, wherein liquid working medium is injected, wherein the expansion takes place and the evaporation takes place from the liquid phase, wherein a cooling of the liquid phase takes place, wherein the liquid phase is taken at the bottom dead center and the outlet valves are opened for the gaseous phase, so that an ejection of the gaseous phase takes place to reach the top dead center.
9. Wärmepumpenvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Arbeitsmedium Wasser ist.9. Heat pump device according to one of the preceding claims, wherein the working medium is water.
10. Wärmepumpenvorrichtung, mit einer Kolbenmaschine (10) mit einem Zylinderraum (15), wobei ein flüssiges Arbeitsmedium in den Zylinderraum eingespritzt wird, während dampfförmiges Arbeitsmedium durch die Kolbenmaschine komprimiert wird oder in der Kolbenmaschine entspannt. 10. Heat pump device, comprising a piston machine (10) with a cylinder chamber (15), wherein a liquid working medium is injected into the cylinder space, while vaporous working medium is compressed by the piston engine or relaxed in the piston engine.
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