WO2009156125A2 - Vorrichtung und verfahren zum effizienten oberflächenverdampfen und zum effizienten kondensieren - Google Patents

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    • F25B43/04—Arrangements for separating or purifying gases or liquids; Arrangements for vaporising the residuum of liquid refrigerant, e.g. by heat for withdrawing non-condensible gases
    • F25B43/043—Arrangements for separating or purifying gases or liquids; Arrangements for vaporising the residuum of liquid refrigerant, e.g. by heat for withdrawing non-condensible gases for compression type systems

Definitions

  • the present invention relates to evaporation or condensation on surfaces and in particular to an application of evaporation and condensation to surfaces in heat pumps.
  • a liquid layer such as occurs in an evaporator of a heat pump, due to the typical stratification, which is observed in liquids and in particular water as working fluid, a heat distribution, which consists in that is cooled in the evaporator of the uppermost portion, currency -
  • the lower portion of the layer has almost the same temperature of the working fluid, as it is supplied from a heat source.
  • the object of the present invention is to provide a more efficient concept for surface evaporation or surface condensation. This object is achieved by an evaporator according to claim 1, a condenser according to claim 13, a heat pump according to claim 30, a method for vaporizing according to claim 31 or a method for condensing according to claim 32.
  • the present invention is based on the finding that the evaporation process can be considerably increased by the use of turbulence generators on the evaporator surface, on which a working liquid to be evaporated is to be arranged.
  • the turbulence generators ensure that there is no stratification on the working fluid on the evaporator surface. Instead, the cold liquid layer forming the surface of the working fluid on the evaporating surface is ruptured by the turbulence generators and brought down.
  • the lower, warmer layer of the working liquid is brought upwards, so that it is ensured that there is always working liquid on the surface which has a temperature, in view of the pressure in the evaporator, which is below the atmospheric pressure and preferably even below 50 mbar, evaporation will occur.
  • the pressure is selected so that the liquid of the lower layer, swept up by the turbulence generators, is the boiling temperature of the liquid which, as is known, also decreases with decreasing pressure.
  • the condensation efficiency is increased by also providing turbulence generators on the condenser surface, and these turbulence generators cause stratification of the liquid on the condenser surface to be avoided or constantly disrupted.
  • the upper warm layer which has absorbed heat from the condensation process, is brought down and, at the same time, colder liquid is brought up in the condenser to be warmed up by the condensing vapor.
  • a laminarizer is provided on the condenser side configured to laminarize the vapor stream directed to the working fluid.
  • the present invention relates to an evaporator having an evaporator surface which is provided with turbulence generators, so that a water flow on the evaporator surface has turbulences, which preferably comprise at least 20% of the total water flow.
  • the present invention relates to a condenser in a condenser space, the condenser space having laminarizing means for laminarizing a gas flow directed onto a liquid surface in the condenser, the laminarizer being configured to produce a gas stream at least is as turbulent as a gas stream fed to the laminarizer, the condenser being provided with turbulence generators so that a water stream on the condenser surface has turbulence, preferably comprising at least 20% of the total water flow.
  • the present invention achieves, with the simplest measures, a considerable increase in the evaporation efficiency and the condenser efficiency, which increase can either be used to produce a higher power evaporator or condenser. Alternatively, however, it is preferred to use this substantial increase in efficiency to design an evaporator and a condenser much smaller and more compact, while still achieving a certain performance. This is particularly advantageous for use in a heat pump for building heating for smaller and medium-sized buildings, because in buildings, and in particular in residential buildings, the space is typically limited.
  • FIG. 1 shows a plan view of a condenser or evaporator with turbulence generators in the form of a simple wire mesh fence.
  • FIG. 2 shows a honeycomb structure for implementing a laminarizer in the condenser
  • Fig. 3 is a plan view of a turbulent working fluid in a condenser under an evaporator
  • FIG. 4a is a schematic representation of an evaporator with an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 4a is a schematic representation of a condenser according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 shows an overview diagram for illustrating a condenser with a gas removal device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 6a shows a sketch for illustrating the functionality of the gas removal device on a condenser according to the invention
  • Fig. 6b is a detailed illustration of the gas removal device
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a heat pump with an evaporator according to an exemplary embodiment of the present invention and / or a condenser according to an exemplary embodiment of the present invention
  • Fig. 8a is a plan view of a preferred evaporator or condenser
  • Fig. 8b is a longitudinal section of a preferred evaporator
  • 9a is a plan view of an evaporator or condenser according to an alternative embodiment of the present invention
  • 9b is a schematic cross-sectional view of an evaporator or condenser according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 10a shows a cross section through a laminarizer according to an embodiment of the present invention.
  • 10b shows a representation of the temperature along the path in a laminarizer cell of the laminarizer.
  • a device for generating vortices is provided on the evaporator side and / or on the condenser side.
  • This vortex generating device which may have a multiplicity of so-called “vortex generators" 40, as shown in FIGS. 4 a and 4b, results in that the water flow 41 leading to a liquid layer on a funnel-shaped evaporator 42 or a funnel-shaped condenser 43 leads, via the vortex generator or "vortex generator” runs.
  • the water flow from which it is intended to evaporate or into which it is to be condensed is continuously subjected to turbulence.
  • the lower layer of the water film is continuously mixed with the upper layer of the water film.
  • Vortex generators various materials can be used, such as a chain link fence, as shown schematically in Fig. 1.
  • This chain link fence is arranged in the water flow, in such a way that the wire is an obstacle to the flow of water and constantly leads to a division of the flow and in a sense to a "refolding" and thus to a vortex generation in the water layer.
  • the wire mesh shown in FIG. 1, which is also known as “hare wire”, has turbulence cells with a diameter between 0.5 mm to 3 mm and preferably 1 mm, the spacing of these turbulence cells being approximately equal to one to ten times that of the Diameter of a turbulence cell or a vortex generator is.
  • Vortex generators are used, such as arranged on the funnel-shaped evaporator pyramids, which effectively “cut” and “fold” the water flow, so that water from the lower portion of the liquid film is brought up and vice versa. This ensures that on the evaporator side, which is outlined in Fig. 4a, constantly “Warmer” water is brought to the evaporator surface and colder water, ie water that has already released its energy is mixed down.
  • the condenser output can be increased even without a vortex generator 40 if a gas flow laminarizer 48 is used.
  • a gas flow laminarizer may be formed, for example, by a honeycomb material in the form of a honeycomb, e.g. shown in Fig. 2 can be achieved.
  • the gradient of the temperature as a function of the location in the case of a non-laminar flow at the liquid surface is very large.
  • laminarization of the gas flow according to the invention however, a smaller gradient is achieved directly on the liquid surface.
  • the energetic conditions of the gas better match the energetic conditions of the liquid, so that the efficiency of the condensation process is significantly increased.
  • the laminarizer is used with the vortex generators 40 to achieve even higher condenser performance. however Even without vortex generator on the condenser side or without laminator 48 on the condenser side, the efficiency is already sustainably increased.
  • both the vortex generators 40 in the liquid layer on the condenser side and thus also the laminarizer 48 for laminating the flow of the gas.
  • Capacitor performance can be achieved that is up to 100 times higher than capacitor powers without vortex generators and / or laminators.
  • a wire mesh is shown as vortex generators, which is surrounded by water, with the result that in the working fluid, which does not necessarily have to be water, but preferably water, a turbulence generation occurs. This leads to a very uniform temperature distribution in the outflowing fluid stream. In a laminar flow, ie without the wire mesh as an example of turbulence generator, however, only a cooling takes place on the surface.
  • the honeycomb structure shown in Fig. 2 for laminarization of the gas flow serves to achieve a smoother temperature gradient to the fluid surface. This results in a statistically higher probability of finding molecules with the right amount of energy to condense on the surface.
  • a turbulent gas stream such as is usually supplied by a compressor, and in particular a turbo-compressor, is used, an extremely steep temperature gradient is produced and condensation is thereby hindered.
  • Figure 3 shows a turbulent water (fluid) on a condenser to increase condenser performance.
  • FIG. 5 An arrangement of a device, also referred to as a gas trap 50, in the condenser 51, a heat pump is shown in FIG.
  • Figure 5 shows a heat pump in which the condenser is located above an evaporator, although this arrangement does not necessarily have to be used to implement a gas trap.
  • the steam enters via a first gas channel 52 in a compressor 53 and is compressed there and ejected via a second gas passage 54.
  • the gas discharged there is preferably directed by a laminarizing device 55 according to the invention, which may be honeycomb-shaped or otherwise, to a condenser water which is conveyed via a condenser water channel 56 via a plate shaped or funnel-shaped Kondensiererablauf 57 runs to the side.
  • a laminarizing device 55 which may be honeycomb-shaped or otherwise, to a condenser water which is conveyed via a condenser water channel 56 via a plate shaped or funnel-shaped Kondensiererablauf 57 runs to the side.
  • the condenser outlet 57 is typically rotationally symmetrical and is preferably provided with a turbulence generator 58 according to the invention in order to increase the condensing efficiency.
  • a sealing lip 59 is provided, which separates the lower gas region 60 from the upper gas region 61.
  • the sealing lip 59 does not necessarily provide a complete seal. However, it ensures that the foreign gas transported by the condenser water on the condenser 57 accumulates in the region 60 below the condenser outlet 57.
  • the foreign gases because they are heavier than water vapor, fall into the gas trap 50 due to gravity.
  • a diffusion process acts against gravity, so that the foreign gases in the region 60 and in the gas trap also want the same concentration. This diffusion process therefore counteracts the gravitational effect of the gas trap.
  • the effect of the sealing lip 59 which separates the area above the condenser outlet and the Veriqueertrichters 57 from the area below this element 57 is reinforced by the fact that the laminarizer 55 is present, since the foreign gases, as soon as they affect the water flow 56 on the Condenser expire 57, can not go away, but to a certain extent be forced to run in the direction of the sealing lip and under the sealing lip to accumulate in the vicinity of the gas trap 50.
  • This behavior is further enhanced by the turbulence generator 58, as a result of which a more turbulent flow is present, which is also a has higher efficiency in order to capture and carry along foreign gas, which is in the upper region 61.
  • FIG. 6a shows a schematic representation of the functionality that has been illustrated with reference to the heat pump or the heat pump condenser 51 of FIG. 5.
  • Fig. 6a is particularly emphasized how the space 260 is separated below the drain 57 by the sealing lip 59 of the upper portion 61.
  • This separation need not be hermetic, as long as there is a higher likelihood that extraneous gases will be the turbulent water vapor that has been laminarized by the laminarizer 55, as shown by arrows 69, with a higher probability to follow the path in the lower portion 60, as indicated by an arrow 68, in comparison to the probability that the foreign gases enter the upper portion 61 again.
  • An enrichment in foreign gases will thus take place in the area 60, so that the diffusion effect is reduced to a certain extent out of the gas trap 50 and the efficiency of the gas trap is not significantly impaired.
  • the gas trap has a relatively long neck 70 which extends between the sump 71 and a preferably present inlet region 72, which may be funnel-shaped. It is not essential, however, the length of the neck 70, but that at least the lower part of the collecting container 10 in a cold area, such as the evaporator 2 of the heat pump is arranged. This means that warm water vapor from the area 60 of the condenser enters into contact with a cold surface of the collecting container 1, which leads to a condensation of the steam.
  • a lamination device 73 for example in the form of a honeycomb-shaped structure, is also arranged at the funnel opening in order to improve the efficiency of the gas trap.
  • the system can be implemented if the heat pump is designed so that the condenser is located above the evaporator.
  • the throat 70 passes down through the condenser and into the evaporator to create a cold wall of condensation which on the one hand leads to a continuous flow of gas into the gas trap and on the other hand always ensures that there is water in the gas trap. which can be heated to increase the pressure in the sump, such that at certain events a foreign gas discharge can take place.
  • Fig. 7 shows a schematic representation of a heat pump for building heating.
  • the heat pump for building heating is preferably designed so that single-family homes or smaller apartment buildings can be heated.
  • the heat pump for building heating according to an embodiment of the present invention is intended to heat smaller residential buildings with less than 10 housing units and preferably less than 5 housing units.
  • the heat pump comprises an evaporator with an evaporator housing 42 'with turbulence generators. The steam generated in the evaporator is fed via a steam line 100 to a compressor 102.
  • Compressor 102 compresses the vapor and supplies the compressed vapor via a vaporized vapor line labeled 104 into a condenser according to the present invention having a condenser housing 43 'having either turbulence generators or a laminarizer, or preferably both, to more efficiently condense produce.
  • the evaporator receives the liquid to be evaporated via a feed line 106, and the condenser discharges the condensed liquid via a discharge line 108.
  • the condenser 43 has a flow 110a with temperatures, for example in the range of 40 ° for underfloor heating and a return 110b of the building heating.
  • the same liquid can flow as in the condenser, without a heat exchanger is provided.
  • a heat exchanger may be provided, so that the flow 110a and the return 1 10b go to a heat exchanger not shown in Fig. 7 and do not go into an actual radiator.
  • drain line 108 may lead to an open water reservoir, such as groundwater, seawater, brine, river water, etc.
  • supply line 106 may be groundwater, seawater, river water, brine, etc.
  • a closed system can be used, as indicated by the dashed connecting lines to a connecting element 110.
  • the connector 110 ensures that the liquid condensed in the condenser is fed back into the evaporator, taking into account corresponding pressure differences.
  • the liquid 106 in the feed line carries heat from the groundwater but is not groundwater, in which case a heat exchanger is placed in a groundwater reservoir to circulate the then circulating liquid in the line 106 , which is then designed as a return line to warm up, so that the heat transferred from the groundwater through the heat pump process in the heating flow HOa is brought.
  • the working fluid in the evaporator and in the condenser is water.
  • other working fluids may be used, such as heat transfer fluids specially designed for heat pumps.
  • water is preferred because of its particular suitability for the process. Another significant benefit of water is that it is climate neutral.
  • the evaporator 42 In order to evaporate water at temperatures of about 10 ° C, the evaporator 42 is provided with an evaporator housing, which is designed to hold a pressure in the evaporator at least in the vicinity of the evaporator surface, in which the water flowing in the feed line 106 evaporates , If water is used as the working fluid, pressures in the evaporator will be below 30 mbar and even below 10 mbar.
  • pressures will be more than 40 mbar and less than 200 or 150 mbar.
  • a condenser housing is formed to hold these respective pressures. Pressures that are preferred to condensation temperatures of 30 ° C or below or 22 ° C or below are preferred.
  • FIG. 8A shows a plan view of an evaporator or condenser with wire sections as turbulence generators
  • FIG. 8B shows a longitudinal section of the evaporator, which analogously could also be the condenser, if corresponding feed / return lines etc. are taken into account and the condenser liquid not externally supplied and discharged, but would circulate.
  • the evaporator comprises an evaporator surface or condenser surface 80 on which turbulence generators 40 are arranged.
  • the turbulence generators 40 are individual wire sections which are formed together, for example, as a spiral 82. At the same time, turbulence generators could also function as separate or ger concentric wire rings be formed, however, the use of a spiral in the handling and assembly is easier.
  • adjacent wire sections 84a, 84b which each have a diameter d, spaced by a distance Dd, wherein the distance D d greater than the diameter d of a wire section and is preferably less than three times the diameter.
  • the wire portions in Fig. 8A are drawn in a circular cross section, the cross section of the wire portions may be arbitrary.
  • FIG. 8B shows a funnel-shaped evaporator or condenser or a funnel-shaped evaporator surface or condenser surface 80 in longitudinal section.
  • the wire sections are directly fastened to this surface 80.
  • the wire portions may also be spaced as long as relative positioning of the turbulence generators 40 to the surface 80 is provided, such that it engages the working fluid present on the surface 80 with the turbulence generators to cause turbulence.
  • the surface 80 for both the evaporator and the condenser is preferably shaped so that the working fluid supplied via a working fluid inlet 86 does not only stand on the surface 80, as would be the case if the surface were completely horizontal and an almost non-existent inflow would be present, but that the working fluid flows on the surface due to gravity.
  • the surface 80 comprises at least one inclined plane.
  • the surface is funnel-shaped and the inflow port 86 is centrally located relative to the working surface such that the working fluid does not flow off only on one side with respect to the supply port, but flows off to all sides.
  • an implementation would also be useful for certain applications where e.g.
  • a flat surface which is arranged as an inclined plane and is arranged at the highest point of the inlet 86, so that the working fluid is not on several sides of the inlet, but substantially in a limited sector, such as 30 °, 60 ° or 90 ° with respect to the inlet flows on the surface, there to engage with the turbulence generators 40.
  • the working surface may also be pyramidal or cone-shaped or uneven or curved in cross-section, as long as in the working position of the evaporator or condenser the working fluid copes with a height difference from the force of gravity.
  • Figures 9A and 9B show a plan view of an alternative surface 80 of an evaporator or condenser having no wire sections as in Figure 8A, but with elevations or depressions in the work surface. In Fig. 9B, only elevations are shown.
  • the turbulence generators 40 protrude from the surface or are recessed with respect to the surface, so to speak “holes” in the surface 80, and preferably the turbulence generators 40 are so strong protrude over the surface that they protrude at least with their tip over a level of the working fluid 41 on the surface 80.
  • the turbulence generators 40 may have any shapes, as indicated in Fig. 9B. The more abrupt the shapes are, the more turbulence is generated, but at the same time the turbulence generators can also be designed to "split" and "fold over” the water flow with special shapes.
  • the turbulence generators may also be e.g. be implemented by projecting into the working fluid elements, such as bars, etc., which are not firmly connected to the surface 80, but e.g. suspended above the surface 80.
  • these rods can also be moved to generate particularly strong turbulence.
  • Turbulence can thus be generated in many different ways, with turbulence generators being able to be firmly connected to the work surface 80 to generate this turbulence, or else being positioned statically or dynamically relative to the work surface, as long as, preferably, at least 20%. the entire water flow are provided with turbulence.
  • FIG. 10A shows a cross-section through a laminarization device with various laminarization cells 120.
  • Above the laminarizer cells 120 is turbulent vapor at a temperature 9-Q, as indicated schematically by the non-directional vapor arrows 122.
  • Below the laminarizer cells 120 laminarized vapor 124 is shown, which, due to the fact that it is close to the liquid of the condenser on the condenser surface 80, has a temperature of about equal to $ w. 9w is lower than 9D
  • the temperature of the undirected steam $ D may be much higher than the temperature of the water $ w. Nevertheless, no steam coolers etc. are required because the laminarizer 48 with the individual laminarizer cells 120 separated by walls 121 enforces the temperature distribution shown in Fig. 10b.
  • the laminarizer is honeycomb-shaped or made of a tube material as long as there are individual more or less collimated and preferably smooth laminator cells 120 which effect a laminarization, as represented by the directed vapor flow 124.
  • the laminator does not necessarily have to achieve perfect 100% laminarization as long as the gas stream at the exit of the laminarizer is less turbulent than the gas stream at the entrance of the laminarizer.
  • the laminarizer cells or the laminarizer as a whole are designed such that the output laminarized steam flow is at least half as turbulent as the input-side turbulent steam flow.
  • the length of a laminarizer cell 120 be about 10 mm long when the diameter of the laminarizer cell is 5 mm.
  • the length is longer than 1 mm.
  • Other favorable example dimensions are: if the Diameter greater than 5 mm, the length is greater than 10 mm, and if the diameter is smaller than 5 mm, the length is smaller than 10 mm.
  • the distance D L between the exit of the laminarizer cells 120 and the surface of the liquid is relatively small and in particular less than 50 mm preferably less than 25 mm, or preferably less than 6 mm.
  • This also forces the gas or the vaporized working fluid, when leaving the laminarizer cells 120, to have a temperature which is almost equal to or only slightly higher than the temperature of the water. This ensures that the steam particles in the flow do not "bounce off” from the water or in turn have a steam-generating effect, but are absorbed by condensation into the water, since only in this way does particularly efficient heat transfer take place from the steam to the water.
  • the laminarizer according to the invention provides a considerable increase in the efficiency of condensation.
  • the higher the temperature of the steam relative to the temperature of the condensing liquid the efficiency in power per area has greatly decreased. So you can say that with a superheating of the steam of 10 ° only 10% condensing capacity was possible.
  • a considerably greater power is achieved with the same area, which, depending on the implementation, can be 40-200 kW / m 2 or even more. This means at least a twentyfold increase in efficiency with simple measures.
  • Another advantage is that the efficiency is relatively independent of the temperature of the non-directional steam. Therefore, it is according to the invention readily possible to condense a vapor having a temperature of for example above 150 ° C with a water, which is for example at 40 ° C.
  • the laminarizer therefore provides a decoupling of the condensing efficiency from the steam temperature at the outlet of the compressor.
  • the compressor can be dimensioned according to its requirements and it no longer has to be taken into account in the dimensioning of the compressor according to the present invention, which thermal conditions are necessary for condensing.
  • the turbulence generators and the laminarization device can not be formed as two separate elements but also by one and the same element.
  • the turbulence generators and the laminarization device can not be formed as two separate elements but also by one and the same element.
  • the liquid flows around the fibers, creating turbulence.
  • the flooded fibers are the turbulence generators.
  • the non-lapping fibers project beyond the liquid, on the other hand, constitute the laminarizer.
  • the friction of the vapor on the fibers results in laminarization of the vapor.
  • the material of the fibers is plastic or metal, and the fiber fabric is for example metal wool or especially steel wool.

Abstract

Ein Verdampfer bzw. ein Kondensierer (43) umfasst eine Oberfläche, auf der Arbeitsflüssigkeit (41) angeordnet ist. Ferner sind Turbulenzgeneratoren (40) vorgesehen, um Turbulenzen in der auf der Arbeitsoberfläche befindlichen Arbeitsflüssigkeit zu erzeugen. Im Kondensierer ist alternativ oder zusätzlich ein Laminarisierer (48) vorhanden, um den vom Komprimierer gelieferten Dampfstrom zu laminarisieren. Auf Verdampferseite wird die Verdampfungseffizienz erhöht, und auf Kondensiererseite wird die Kondensierereffizienz erhöht, was für eine beträchtliche Größeneinsparung ohne Leistungsverlust dieser Komponenten insbesondere für eine Wärmepumpe zur Gebäudeheizung nutzbar ist.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum effizienten Oberflächenverdampfen und zum effizienten Kondensieren
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Verdampfen bzw. Kondensieren an O- berflächen und insbesondere auf eine Anwendung des Verdampfens und Kondensierens an Oberflächen in Wärmepumpen.
Eine Flüssigkeitsschicht, wie sie beispielsweise in einem Verdampfer einer Wärmepumpe auftritt, nimmt aufgrund der typischen Schichtung, die bei Flüssigkeiten und insbesondere bei Wasser als Arbeitsflüssigkeit zu beobachten ist, eine Wärmeverteilung ein, die darin besteht, dass im Verdampfer der oberste Abschnitt abgekühlt wird, wäh- rend der untere Abschnitt der Schicht nahezu dieselbe Temperatur der Arbeitsflüssigkeit hat, wie sie von einer Wärmequelle zugeführt wird.
Ähnlich verhält sich die Situation bei Kondensierern für Wärmepumpen. Dort tritt der komprimierte und damit aufgeheizte Dampf aus Arbeitsflüssigkeit, wie beispielsweise Wasserdampf, wenn als Arbeitsflüssigkeit Wasser verwendet wird, auf eine „kalte" Flüssigkeitsschicht auf. Dies führt dazu, dass lediglich die Oberfläche der Flüssigkeitsschicht im Kondensierer erwärmt wird, während der untere Abschnitt der Flüssigkeitsschicht im Verdampfer, der nicht direkt mit dem Dampf in Kontakt kommt, nicht erwärmt wird.
Darüber hinaus existiert beim Verdampfer einer Wärmepumpe noch die Problematik, dass der komprimierte und aufgeheizte Dampf überhitzt sein kann, was bedeutet, dass trotz der Tatsache, dass der Dampf auf die aufzuheizende Flüssigkeit trifft, dennoch die Wärmeübertragung vom Dampf in die Flüssigkeit begrenzt ist.
Alle diese Probleme fuhren dazu, dass der Wirkungsgrad beim Verdampfen bzw. beim Kondensieren reduziert wird. Um dennoch eine Wärmepumpe beispielsweise mit ausreichender Leistung zu erzeugen, muss daher die Querschnittsfläche des Verdampfers bzw. muss die Querschnittsfläche des Kondensierers sehr groß gewählt werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein effizienteres Konzept zum Oberflächenverdampfen bzw. Oberflächenkondensieren zu beschaffen. Diese Aufgabe wird durch einen Verdampfer gemäß Patentanspruch 1, einen Kondensierer gemäß Patentanspruch 13, eine Wärmepumpe gemäß Patentanspruch 30, ein Verfahren zum Verdampfen gemäß Patentanspruch 31 oder ein Verfahren zum Kondensieren gemäß Patentanspruch 32 gelöst.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Verdampfungspro- zess durch einen Einsatz von Turbulenzgeneratoren auf der Verdampferoberfläche, auf der eine zu verdampfende Arbeitsflüssigkeit anzuordnen ist, erheblich gesteigert werden kann. Die Turbulenzgeneratoren stellen sicher, dass keine Schichtung auf der Arbeits- flüssigkeit auf der Verdampferoberfläche stattfindet. Stattdessen wird die kalte Flüssigkeitsschicht, die die Oberfläche der Arbeitsflüssigkeit auf der Verdampfoberfläche bildet, durch die Turbulenzgeneratoren zerrissen und nach unten gebracht. Gleichzeitig wird die untere wärmere Schicht der Arbeitsflüssigkeit nach oben gebracht, so dass dafür gesorgt wird, dass immer Arbeitsflüssigkeit an der Oberfläche ist, die eine Tempera- tur hat, bei der in Anbetracht des Drucks im Verdampfer, welcher unterhalb des Atmosphärendrucks und vorzugsweise sogar unter 50 mbar liegen wird, eine Verdampfung auftritt. Vorzugsweise ist der Druck so gewählt, dass die Flüssigkeit der unteren Schicht, die durch die Turbulenzgeneratoren nach oben gekehrt wird, die Siedetemperatur der Flüssigkeit ist, die, wie es bekannt ist, mit fallendem Druck ebenfalls abnimmt.
Auf Kondensiererseite wird bei einem Ausführungsbeispiel der Kondensationswirkungsgrad erhöht, indem auf der Kondensiereroberfläche ebenfalls Turbulenzgeneratoren vorgesehen werden und diese Turbulenzgeneratoren führen dazu, dass eine Schichtung der Flüssigkeit auf der Kondensiereroberfläche vermieden wird bzw. ständig durchbrochen wird. Damit wird die obere warme Schicht, die Wärme aus dem Konden- sierungsprozess aufgenommen hat, nach unten gebracht und es wird gleichzeitig kältere Flüssigkeit im Kondensierer nach oben gebracht, um durch den kondensierenden Dampf aufgewärmt zu werden. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist auf Kondensiererseite eine Laminarisierungseinrichtung vorhanden, die ausgebildet ist, um den auf die Arbeitsflüssigkeit gerichteten Dampfstrom zu laminarisieren. Damit wird eine günstige Temperaturverteilung des Dampfes in der Laminarisierungseinrichtung erreicht, so dass eine hohe Kondensierereffizienz erreicht wird, die nahezu unabhängig von der Temperatur ist, mit der der Dampf in den Kondensiererraum eintritt. Dies ist insbesondere bei Wärmepumpen mit Verdichtern von entscheidendem Vorteil, weil typischerweise eine Dampfüberhitzung vorhanden ist, die normalerweise, ohne Verwendung eines Lamina- risierers, zu einer drastischen Reduktion des Kondensiererwirkungsgrads führt, weshalb im Stand der Technik Dampfkühler eingesetzt werden. Alle solche Maßnahmen sind aufgrund des Laminarisierers nicht mehr nötig, weil der Laminarisierer automatisch ein Temparaturprofil erzeugt, das zu einem optimalen Wirkungsgrad fuhrt. Bei einem Ausfuhrungsbeispiel werden auf Kondensiererseite sowohl Turbulenzgeneratoren als auch ein Laminarisierer eingesetzt, was zu einer weiteren Erhöhung des Kondensiererwirkungsgrads fuhrt.
Gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel betrifft die vorliegende Erfindung einen Verdampfer mit einer Verdampferoberfläche, die mit Turbulenzgeneratoren versehen ist, so dass ein Wasserstrom auf der Verdampferoberfläche Turbulenzen aufweist, die vorzugsweise wenigstens 20% der gesamten Wasserströmung umfassen.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel betrifft die vorliegende Erfindung einen Kondensierer in einem Kondensiererraum, wobei der Kondensiererraum eine Laminarisie- rungseinrichtung aufweist, um einen auf eine Flüssigkeitsoberfläche im Kondensierer gerichtete Gasströmung zu laminarisieren, wobei der Laminarisierer ausgebildet ist, um ausgangsseitig einen Gasstrom zu erzeugen, der wenigstens halb so turbulent ist wie ein Gasstrom, der in den Laminarisierer eingespeist wird, wobei der Kondensierer mit Turbulenzgeneratoren versehen ist, so dass ein Wasserstrom auf der Kondensiereroberfläche Turbulenzen aufweist, die vorzugsweise wenigstens 20% der gesamten Wasserströmung umfassen.
Die vorliegende erreicht mit einfachsten Maßnahmen eine erhebliche Erhöhung des Verdampfungs- Wirkungsgrades und des Kondensierer- Wirkungsgrades, wobei diese Erhöhung entweder dazu eingesetzt werden kann, um einen Verdampfer bzw. Kondensierer mit höherer Leistung herzustellen. Alternativ wird es jedoch bevorzugt, diese sub- stantielle Wirkungsgraderhöhung dazu einzusetzen, einen Verdampfer und einen Kondensierer wesentlich kleiner und kompakter auslegen zu können, wobei dennoch eine bestimmte Leistung erreicht wird. Dies ist insbesondere für eine Anwendung in einer Wärmepumpe zur Gebäudeheizung für kleinere und mittlere Gebäude von großem Vorteil, weil in Gebäuden, und insbesondere in Wohngebäuden der Platz typischerweise limitiert ist. Darüber hinaus führt eine Reduktion der Größe aufgrund der reduzierten Materialmenge und der einfacheren Handhabbarkeit während der Herstellung zu einer erheblichen Kosteneinsparung, was insbesondere für den Einsatz in Wärmepumpen von großer Bedeutung ist, die in großen Stückzahlen hergestellt werden können und für den einzelnen Bauherrn preislich vertretbar sein müssen. Gleichermaßen können Turbulenz- generatoren und Laminarisierer mit einfachsten Mitteln implementiert werden, wobei durch die einfachen Maßnahmen auf sämtliche elektronische/elektrische Dinge verzichtet werden kann. Bevorzugte Ausfiihrungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgen Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Kondensierer bzw. Verdampfer mit Turbulenzgene- ratoren in Form eines einfachen Maschendrahtzauns.
Fig. 2 eine Wabenstruktur zur Implementierung eines Laminarisierers im Kondensierer;
Fig. 3 eine Draufsicht auf eine turbulente Arbeitsflüssigkeit in einem Kondensierer unter einem Verdampfer;
Fig. 4a eine schematische Darstellung eines Verdampfers mit einem Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4a eine schematische Darstellung eines Kondensierers gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 ein Übersichtsdiagramm zur Darstellung eines Verflüssigers mit einer Gas- entfernungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 6a eine Skizze zur Darstellung der Funktionalität der Gasentfernungsvorrichtung an einem erfindungsgemäßen Kondensierer;
Fig. 6b eine detaillierte Darstellung der Gasentfernungsvorrichtung;
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Wärmepumpe mit einem Verdampfer gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und/oder ei- nem Kondensierer gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8a eine Draufsicht auf einen bevorzugten Verdampfer bzw. Kondensierer;
Fig. 8b ein Längsschnitt eines bevorzugten Verdampfers;
Fig. 9a eine Draufsicht auf einen Verdampfer bzw. Kondensierer gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; Fig. 9b eine schematische Querschnittsdarstellung eines Verdampfers bzw. Kondensierers gemäß einem Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 10a einen Querschnitt durch einen Laminarisierer gemäß einem Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 10b eine Darstellung der Temperatur entlang des Wegs in einer Laminarisiererzel- Ie des Laminarisierers.
Erfindungsgemäß wird auf Verdampferseite und/oder auf Kondensiererseite eine Einrichtung zum Erzeugen von Wirbeln vorgesehen. Diese Wasserwirbelerzeugungsein- richtung, die eine Vielzahl von sog. „Vortex generators" 40, wie sie in Fig. 4a und Fig. 4b gezeigt sind, aufweisen kann, führt dazu, dass der Wasserstrom 41, der zu einer Flüssigkeitsschicht auf einem trichterförmigen Verdampfer 42 oder einem trichterförmigen Kondensierer 43 fuhrt, über die Vortex generators oder „Wirbelerzeuger" läuft. Dies führt dazu, dass der Wasserstrom, aus dem heraus verdampft werden soll bzw. in den hinein kondensiert werden soll, ständige einer Verwirbelung unterzogen wird. Damit wird die untere Schicht des Wasserfilms dauernd mit der oberen Schicht des Was- serfilms vermischt.
Für sog. Vortex generators können verschiedene Materialien verwendet werden, wie beispielsweise ein Maschendrahtzaun, wie er schematisch in Fig. 1 gezeichnet ist. Dieser Maschendrahtzaun ist im Wasserstrom angeordnet, und zwar so, dass der Draht ein Hindernis für den Wasserstrom darstellt und dauernd zu einer Teilung des Flusses und gewissermaßen zu einer „Umfaltung" und damit zu einer Wirbelerzeugung in der Wasserschicht fuhrt.
Der in Fig. 1 gezeigte Maschendraht, der auch als „Hasendraht" bekannt ist, hat Turbu- lenzzellen mit einem Durchmesser zwischen 0,5 mm bis 3 mm und vorzugsweise von 1 mm, wobei der Abstand dieser Turbulenzzellen etwa gleich dem einfachen bis zehnfachen des Durchmessers einer Turbulenzzelle bzw. eines Vortex generators ist.
Es sei darauf hingewiesen, dass beliebige andere Vortex generators eingesetzt werden, wie beispielsweise auf den trichterförmigen Verdampfer angeordnete Pyramiden, die den Wasserstrom gewissermaßen „aufschneiden" und „umklappen", so dass Wasser vom unteren Bereich des Flüssigkeitsfilms nach oben und umgekehrt gebracht wird. Damit wird sichergestellt, dass auf Verdampferseite, die in Fig. 4a skizziert ist, dauernd „wärmeres" Wasser auf die Verdampferoberfläche gebracht wird und kälteres Wasser, also Wasser, das seine Energie bereits abgegeben hat, nach unten gemischt wird.
Dies führt bei einer Wärmepumpe zu einer ganz erheblichen Leistungssteigerung. Wur- de ohne Vortex generator eine Verdampfungsleistung von vielleicht 1 bis 4kW/m2 erreicht, also eine Verdampfungsleistung pro Verdampferfläche, so wird diese Verdampfungsleistung außerordentlich erhöht, nämlich in einen Bereich von 60 bis 300 kW/m2, wobei bereits mit einfachen Vortex Generatoren, wie sie beispielsweise in Fig. 1 mit der „Maschendrahtvariante" gezeigt sind, typischerweise 100kW/m2 erreicht werden. Die Durchmischung, wie sie durch den Vortex generator 40 erreicht wird, führt also zu einer Zerstörung der Schichtung auf dem trichterförmigen Verdampfer und analog dazu auch auf dem trichterförmigen Kondensierer.
Obgleich darauf hingewiesen worden ist, dass die Vortex generator sowohl im Ver- dampfer als auch im Kondensierer eingesetzt werden können, kann die Kondensiererleistung auch ohne Vortex generator 40 vergrößert werden, wenn ein Gasstrom- Laminarisierer 48 eingesetzt wird. Ein solcher Gasstrom-Laminarisierer kann beispielsweise durch ein wabenförmiges Material in der Form einer Bienenwabe, wie es z.B. in Fig. 2 gezeigt ist, erreicht werden. So hat sich gezeigt, dass bei einer Wabenzelle mit einem Durchmesser von 3mm und einer Wabenlänge von 8mm bereits eine Gas- strom-Laminarisierung erreicht wird, was dazu führt, dass der Gasstrom 49, wie er aus dem Laminarisierer 48 austritt, eine laminare Strömung ist. Der Kondensierer- Wirkungsgrad dieser laminaren Strömung ist wesentlich höher im Vergleich zu einer Situation, bei dem der nicht-laminarisierte Gasstrom auf den Flüssigkeitsfüm des trich- terförmigen Kondensierers trifft. Dies liegt darin, dass damit Überhitzungseffekte im Gas, das vom Komprimierer in den Kondensierer, wie er in Fig. 4b gezeigt ist, zugeführt wird, abgefangen werden können.
So ist der Gradient der Temperatur als Funktion des Ortes im Falle einer nicht- laminaren Strömung an der Flüssigkeitsoberfläche sehr groß. Durch die erfindungsgemäße Laminarisierung der Gasströmung wird jedoch ein kleinerer Gradient direkt an der Flüssigkeitsoberfläche erreicht. Damit passen die energetischen Verhältnisse des Gases besser zu den energetischen Verhältnissen der Flüssigkeit, so dass die Effizienz des Kondensierungsprozesses erheblich gesteigert wird.
Vorzugsweise wird die Laminarisierungseinrichtung zusammen mit den Wirbelgeneratoren 40 verwendet, um eine noch höhere Kondensiererleistung zu erreichen. Jedoch auch ohne Wirbelgenerator auf Kondensiererseite bzw. ohne Laminarisierer 48 auf Kondensiererseite wird bereits die Effizienz nachhaltig erhöht.
Erfindungsgemäß wird es jedoch bevorzugt, auf Kondensiererseite sowohl die Wirbel- generatoren 40 in der Flüssigkeitsschicht, also auch den Laminarisierer 48 zum Lamina- risieren der Strömung des Gases einzusetzen. Damit können Kondensiererleistungen erreicht werden, die bis zu 100 Mal höher sind als Kondensiererleistungen ohne Wirbelgeneratoren und/oder Laminarisierer.
In Fig. 1 ist, wie es bereits ausgeführt worden ist, als Wirbelgeneratoren ein Drahtgeflecht gezeigt, das von Wasser umströmt ist, was dazu führt, dass in der Arbeitsflüssigkeit, die nicht unbedingt Wasser sein muss, jedoch vorzugsweise Wasser ist, eine Turbulenzerzeugung auftritt. Dies führt zu einer sehr gleichmäßigen Temperaturverteilung im abfließenden Fluidstrom. Bei einer laminaren Strömung, also ohne das Drahtgeflecht als Beispiel für Turbulenzerzeuger, findet dagegen nur eine Abkühlung an der Oberfläche statt.
Die in Fig. 2 gezeigte Wabenstruktur zur Laminarisierung der Gasströmung dient dazu, dass ein sanfterer Temperaturgradient zur Fluidoberfläche erreicht wird. Damit ergibt sich eine statistisch höhere Wahrscheinlichkeit, Moleküle mit der passenden Energiemenge zum Kondensieren an der Oberfläche vorzufinden. Wird dagegen ein turbulenter Gasstrom, wie er üblicherweise aus einem Komprimierer, und insbesondere einen Turboverdichter geliefert wird, verwendet, entsteht dagegen ein extrem steiler Temperaturgradient und das Kondensieren wird dadurch stark behindert.
Fig. 3 zeigt ein turbulentes Wasser (Fluid) auf einem Kondensierer, um die Kondensiererleistung zu steigern.
Eine Anordnung einer Vorrichtung, die auch als Gasfalle 50 bezeichnet ist, in dem Verflüssiger 51 eine Wärmepumpe ist in Fig. 5 gezeigt. Insbesondere zeigt Fig. 5 einer Wärmepumpe, bei der der Verflüssiger oberhalb eines Verdampfers angeordnet ist, obgleich diese Anordnung nicht unbedingt verwendet werden muss, um eine Gasfalle zu implementieren. Der Wasserdampf tritt über einen ersten Gaskanal 52 in einen Verdichter 53 ein und wird dort verdichtet und über einen zweiten Gaskanal 54 ausgestoßen. Das dort ausgestoßene Gas, also der komprimierte und damit heiße Wasserdampf wird vorzugsweise durch eine erfindungsgemäße Laminarisierungseinrichtung 55, die z.B. bienenwabenförmig oder auf andere Art und Weise ausgeführt sein kann, auf ein Kondensiererwasser gerichtet, das über einen Kondensiererwasserkanal 56 über einen teller- förmigen bzw. trichterförmigen Kondensiererablauf 57 zur Seite hin abläuft. Es sei darauf hingewiesen, dass der Kondensiererablauf 57 typischerweise rotationssymmetrisch ist und vorzugsweise mit einem erfindungsgemäßen Turbulenzgenerator 58 versehen ist, um die Kondensierereffizienz zu erhöhen.
Fremdgase, die durch den Verdichtermotor 53 vom Verdampfer angesaugt werden, werden aufgrund der Gasströmung durch den Laminarisierer 55 auf das Kondensiererwasser 56 gerichtet, das über dem Turbulenzgenerator 58, der beispielsweise in Form eines Maschendrahts ausgebildet sein kann, von der Mitte kommend zur Seite hin ab- läuft. Es hat sich gezeigt, dass Fremdgase durch das Kondensiererwasser zwischen dem Laminarisierer 55 und der Kondensiererwasseroberfläche seitlich abtransportiert wird.
Damit sich die Fremdgase in der Nähe der Gasfalle 50 anreichen, ist eine Dichtlippe 59 vorgesehen, die den unteren Gasbereich 60 von dem oberen Gasbereich 61 trennt. So muss die Dichtlippe 59 nicht unbedingt eine vollständige Abdichtung liefern. Sie stellt jedoch sicher, dass das durch das Kondensiererwasser auf dem Kondensierer 57 transportierte Fremdgas sich unterhalb des Kondensiererablaufs 57 im Bereich 60 anreichert. Die Fremdgase fallen, da sie schwerer als Wasserdampf sind, in die Gasfalle 50 aufgrund der Schwerkraft. Gegen die Schwerkraft wirkt jedoch ein Diffusionsprozess, da- hingehend, dass auch die Fremdgase in dem Bereich 60 und in der Gasfalle dieselbe Konzentration haben wollen. Dieser Diffusionsprozess wirkt daher der Schwerkraftwirkung der Gasfalle entgegen. Dies ist jedoch relativ unproblematisch, da die Anreicherung des Fremdgases nunmehr nicht mehr in dem Bereich stattfindet, wo die Kondensierung stattfindet, sondern unterhalb des Ablaufs 57. Durch die Dichtlippe 59 wird verhindert, dass sich die Konzentrationen im Bereich 60 und im Bereich 61 auf den selben Wert einstellen. Damit wird die Konzentration des Fremdgases im Raum 60 immer höher sein als im Raum 61, und es wird eine gute Einfangwirkung für Fremdgase in der Gasfalle 50 stattfinden.
Die Wirkung der Dichtlippe 59, die den Bereich oberhalb des Verflüssigerablaufs bzw. des Verflüssigertrichters 57 von dem Bereich unterhalb dieses Elements 57 trennt, wird dadurch verstärkt, dass die Laminarisierungseinrichtung 55 vorhanden ist, da damit die Fremdgase, sobald sie auf den Wasserstrom 56 auf dem Verflüssigerablauf 57 auftreffen, nicht mehr weggehen können, sondern gewissermaßen gezwungen werden, in Rich- tung der Dichtlippe und unter der Dichtlippe hindurch zu laufen, um sich in der Nähe der Gasfalle 50 anzureichern. Dieses Verhalten wird durch den Turbulenzgenerator 58 noch verstärkt, da dadurch eine turbulentere Strömung vorhanden ist, die ebenfalls eine höhere Effizienz hat, um Fremdgas, das im oberen Bereich 61 ist, gewissermaßen einzu- fangen und mitzutragen.
Fig. 6a zeigt eine Prinzipdarstellung der Funktionalität, die anhand der Wärmepumpe bzw. des Wärmepumpen- Verflüssigers 51 von Fig. 5 dargestellt worden ist. In Fig. 6a ist besonders hervorgehoben, wie der Raum 260 unterhalb des Ablaufs 57 durch die Dichtlippe 59 von dem oberen Bereich 61 getrennt wird. Diese Trennung muss, wie es auch in Fig. 6a deutlich zu sehen ist, nicht hermetisch sein, solange eine höhere Wahrscheinlichkeit existiert, dass Fremdgase dem turbulenten Wasserdampf, der durch den Laminarisierer 55 jedoch laminarisiert worden ist, wie es durch Pfeile 69 dargestellt ist, mit einer höheren Wahrscheinlichkeit dem Weg in den unteren Bereich 60 folgen, wie er durch einen Pfeil 68 angedeutet ist, und zwar im Vergleich zur Wahrscheinlichkeit, dass die Fremdgase wieder in den oberen Bereich 61 eintreten. Damit wird im Bereich 60 eine Anreicherung an Fremdgasen stattfinden, so dass die Diffusionswirkung gewis- sermaßen aus der Gasfalle 50 heraus reduziert ist und die Effizienz der Gasfalle nicht wesentlich beeinträchtigt ist.
Je nach Implementierung wird es bevorzugt, die Gasfalle ähnlich zu Figur 6b auszubilden. Zu diesem Zweck hat die Gasfalle einen relativ langen Hals 70, der sich zwischen den Sammelbehälter 71 und einem vorzugsweise vorhandenen Einlassbereich 72, der trichterförmig sein kann, erstreckt. Wesentlich ist jedoch nicht die Länge des Halses 70, sondern dass zumindest der untere Teil des Sammelbehälters 10 in einem kalten Bereich, wie beispielsweise dem Verdampfer 2 der Wärmepumpe angeordnet ist. Dies bedeutet, dass warmer Wasserdampf aus dem Bereich 60 des Verflüssigers mit einer kalten Oberfläche des Sammelbehälters 1 in Verbindung tritt, was zu einer Kondensierung des Wasserdampfes führt. Damit ergibt sich eine dauernde Wasserdampfströmung in den Trichter 72 entlang des Halses 70 in den Sammelbehälter hinein, da der Wasserdampf im Bereich 60 an der kalten Wand des Sammelbehälters der im Verdampfer 2 angeordnet ist, kondensiert. Die sich daraus ergebende Strömung in die Gasfalle hinein dient einerseits dazu, auch Fremdgase mit in den Sammelbehälter zu tragen, und dient gleichzeitig dazu, in dem Sammelbehälter Wasser anzusammeln, das dann durch die Druckerzeugniseinrichtung 1 in Form einer Heizspirale erhitzt werden kann, um den Dampfausstoß zu bewirken. Vorzugsweise ist auch an der Trichteröffnung eine Lamina- risierungseinrichtung 73, wie beispielsweise in Form einer bienenwabenförmigen Struk- tur angeordnet, um die Effizienz der Gasfalle zu verbessern.
Besonders günstig ist die bevorzugte Ausführungsform des Anordnens einer Wand des Sammelbehälters 10 in dem Verdampfer, bzw. allgemein gesagt, an einer kalten Stelle des Systems implementierbar, wenn die Wärmepumpe so ausgebildet ist, dass der Verflüssiger oberhalb des Verdampfers angeordnet ist. In diese Implementierung reicht der Hals 70 durch den Verflüssiger nach unten hindurch bis in den Verdampfer, um eine kalte Kondensationswand zu schaffen, die einerseits zu einem dauernden Gasstrom in die Gasfalle führt und die andererseits immer dafür sorgt, dass Wasser in der Gasfalle vorhanden ist, das erhitzt werden kann, um den Druck in dem Sammelbehälter zu vergrößern, derart, dass zu bestimmten Ereignissen ein Fremdgasausstoß stattfinden kann.
Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung einer Wärmepumpe zur Gebäudeheizung. Die Wärmepumpe zur Gebäudeheizung ist vorzugsweise so ausgelegt, dass Einfamilienhäuser oder kleinere Mehrfamilienhäuser geheizt werden können. Vorzugsweise soll die Wärmepumpe zur Gebäudeheizung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gedacht sein, um kleinere Wohngebäude mit weniger als 10 Wohneinheiten und vorzugsweise weniger als 5 Wohneinheiten zu heizen. Die Wärmepumpe umfasst einen Verdampfer mit einem Verdampfergehäuse 42' mit Turbulenzgeneratoren. Der im Verdampfer erzeugte Dampf wird über eine Dampfleitung 100 einem Verdichter 102 zugeführt. Der Verdichter 102 komprimiert den Dampfund fuhrt den komprimierten Dampf über eine Dampfleitung für komprimierten Dampf, die mit 104 bezeichnet ist, in einen erfindungsgemäßen Kondensierer mit einem Kondensierergehäuse 43', der entweder Turbulenzgeneratoren oder einen Laminarisierer oder vorzugsweise beide Einrichtungen aufweist, um ein effizienteres Kondensieren zu erzeugen. Der Verdampfer erhält die zu verdampfende Flüssigkeit über eine Zuleitung 106, und der Kondensierer führt die kondensierte Flüssigkeit über eine Ableitung 108 ab. Darüber hinaus hat der Kondensierer 43 einen Vorlauf 110a mit Temperaturen beispielsweise im Be- reich von 40° für eine Fußbodenheizung und einen Rücklauf 110b von der Gebäudeheizung. In dem Heizkörper, wie beispielsweise der Fußbodenheizung oder einem Wandheizungselement, kann dieselbe Flüssigkeit wie im Kondensierer fließen, ohne dass ein Wärmetauscher vorgesehen ist. Alternativ kann jedoch auch ein Wärmetauscher vorgesehen sein, so dass der Vorlauf 110a und der Rücklauf 1 10b zu einem in Fig. 7 nicht gezeigten Wärmetauscher gehen und nicht in einen tatsächlichen Heizkörper gehen. Die Ablaufleitung 108 kann im Falle eines offenen Systems in ein offenes Wasserreservoir führen, wie beispielsweise das Grundwasser, Meerwasser, Sole, Flusswasser, etc. Genauso kann in einem solchen offenen System die Zuleitung 106 aus Grundwasser, Meerwasser, Flusswasser, Sole etc. kommen. Alternativ kann auch ein geschlossenes System eingesetzt werden, wie es durch die gestrichelten Verbindungslinien zu einem Verbindungselement 110 angedeutet ist. In diesem Fall stellt das Verbindungselement 110 sicher, dass die im Kondensierer kondensierte Flüssigkeit wieder in den Verdampfer eingespeist wird, wobei entsprechende Druckunterschiede berücksichtigt werden. Ferner sei darauf hingewiesen, dass im Falle eines halboffenen Systems die Flüssigkeit 106 in der Zulaufleitung zwar Wärme aus dem Grundwasser trägt, jedoch nicht Grundwasser ist, wobei in diesem Fall ein Wärmetauscher in einem Grundwasserreservoir angeordnet ist, um die dann zirkulierende Flüssigkeit in der Leitung 106, die dann als Hin- und Rückleitung ausgeführt ist, aufzuwärmen, damit die von dem Grundwasser übertragene Wärme über den Wärmepumpenprozess in den Heizungs- Vorlauf HOa gebracht wird.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Arbeitsflüssigkeit im Verdampfer und im Kondensierer Wasser. Alternativ können jedoch auch andere Arbeitsflüssigkeiten eingesetzt werden, wie beispielsweise speziell für Wärmepumpen vorgesehene Wärmeträgerflüssigkeiten. Wasser wird jedoch aufgrund seiner besonderen Eignung für den Prozess bevorzugt. Ein weiterer erheblicher Vorteil von Wasser ist, dass es klimaneutral ist.
Um Wasser bei Temperaturen von etwa 10°C zu verdampfen, ist der Verdampfer 42 mit einem Verdampfergehäuse versehen, das ausgebildet ist, um einen Druck in dem Verdampfer zumindest in der Umgebung der Verdampferoberfläche zu halten, bei dem das in der Zuleitung 106 zulaufende Wasser verdampft. Wenn Wasser als Arbeitsflüssigkeit verwendet wird, werden Drücke im Verdampfer unter 30 mbar und sogar im Bereich unter 10 mbar liegen.
Auf Kondensiererseite werden Drücke bei mehr als 40 mbar und unter 200 bzw. 150 mbar liegen. Insofern ist ein Kondensierergehäuse ausgebildet, um diese entsprechenden Drücke zu halten. Drücke, die zu Kondensationstemperaturen von 30° C oder darunter oder 22° C oder darunter werde bevorzugt.
Fig. 8A zeigt eine Draufsicht auf einen Verdampfer bzw. Kondensierer mit Drahtab- schnitten als Turbulenzgeneratoren, und Fig. 8B zeigt einen Längsschnitt des Verdampfers, welcher analog hierzu auch der Kondensierer sein könnte, wenn entsprechende Vorlauf/Rücklaufleitungen etc. berücksichtigt werden und die Kondensiererflüssigkeit nicht extern zugeführt und abgeführt wird, sondern zirkulieren würde.
Der Verdampfer umfasst eine Verdampferoberfläche bzw. Kondensiereroberfläche 80, auf der Turbulenzgeneratoren 40 angeordnet sind. Die Turbulenzgeneratoren 40 sind einzelne Drahtabschnitte, die zusammen z.B. als Spirale 82 ausgebildet sind. Gleichzeitig könnten die Turbulenzgeneratoren auch als voneinander getrennte mehr oder weni- ger konzentrische Drahtringe ausgebildet sein, allerdings ist die Verwendung einer Spirale in der Handhabung und Montage einfacher. Vorzugsweise sind in Flussrichtung der Arbeitsflüssigkeit, die mit den symbolischen Pfeilen 83 angedeutet ist, benachbarte Drahtabschnitte 84a, 84b, welche jeweils einen Durchmesser d haben, um einen Ab- stand Dd beabstandet, wobei der Abstand Dd größer als der Durchmesser d eines Drahtabschnitts und vorzugsweise kleiner als das dreifache des Durchmessers ist. Obgleich die Drahtabschnitte in Fig. 8A mit kreisförmigen Querschnitt gezeichnet sind, kann der Querschnitt der Drahtabschnitte beliebig sein.
Fig. 8B zeigt im Längsschnitt einen trichterförmigen Verdampfer bzw. Kondensierer bzw. eine trichterförmige Verdampferoberfläche bzw. Kondensiereroberfläche 80. Auf dieser Oberfläche 80 sind die Drahtabschnitte direkt befestigt. Alternativ können die Drahtabschnitte jedoch auch beabstandet sein, solange eine relative Positionierung der Turbulenzgeneratoren 40 zu der Oberfläche 80 geschaffen wird, die so ist, dass sie auf der Oberfläche 80 vorhandene Arbeitsflüssigkeit mit den Turbulenzgeneratoren Eingriff nimmt, damit Turbulenzen entstehen.
Die Oberfläche 80 sowohl für den Verdampfer als auch für den Kondensierer ist vorzugsweise so geformt, dass die Arbeitsflüssigkeit, die über einen Arbeitsflüssigkeitszu- lauf 86 zugeführt wird, auf der Oberfläche 80 nicht nur steht, was der Fall wäre, wenn die Oberfläche komplett waagerecht wäre und ein nahezu nicht vorhandener Zufluss vorhanden wäre, sondern dass die Arbeitsflüssigkeit auf der Oberfläche aufgrund der Schwerkraft fließt. Zu diesem Zweck umfasst die Oberfläche 80 zumindest eine schiefe Ebene. Vorzugsweise ist die Oberfläche trichterförmig und die Zuflussöffnung 86 ist zentral bzw. so bezüglich der Arbeitsoberfläche angeordnet, dass die Arbeitsflüssigkeit nicht nur auf einer Seite bezüglich der Zufuhröffnung abfließt, sondern zu allen Seiten hin abfließt. Alternativ wäre jedoch ebenfalls eine Implementierung für bestimmte Anwendungen verwendbar, bei der z.B. eine ebene Fläche vorhanden ist, die als schiefe Ebene angeordnet ist und bei der am höchsten Punkt der Zulauf 86 angeordnet ist, so dass die Arbeitsflüssigkeit nicht auf mehreren Seiten des Zulaufs ist, sondern im Wesentlichen in einem begrenzten Sektor, wie beispielsweise 30°, 60° oder 90° bezüglich des Zulaufs auf der Oberfläche fließt, um dort mit den Turbulenzgeneratoren 40 Eingriff zu nehmen.
Alternativ kann die Arbeitsoberfläche auch pyramidenförmig oder kegelförmig oder im Querschnitt uneben bzw. gekrümmt sein, solange in der Arbeitsposition des Verdampfers bzw. Kondensierers die Arbeitsflüssigkeit einen Höhenunterschied von der Schwerkraftwirkung bewältigt. Fig. 9A und 9B zeigen eine Draufsicht auf eine alternative Oberfläche 80 eines Verdampfers oder Kondensierers, bei dem keine Drahtabschnitte wie in Fig. 8A vorhanden sind, sondern Erhöhungen oder Vertiefungen in der Arbeitsoberfläche vorhanden sind. In Fig. 9B sind lediglich Erhöhungen gezeigt. Allerdings werden die Vertiefungen ähnlich, aber gewissermaßen „negativ" zu den gezeigten Erhöhungen implementiert sein. Die Turbulenzgeneratoren 40 stehen aus der Oberfläche hervor oder sind bezüglich der Oberfläche zurückgesetzt, also gewissermaßen „Löcher" in der Oberfläche 80, wobei vorzugsweise die Turbulenzgeneratoren 40 so stark über die Oberfläche vorstehen, dass sie zumindest mit ihrer Spitze über einen Stand der Arbeitsflüssigkeit 41 auf der Oberfläche 80 vorstehen. Ferner können die Turbulenzgeneratoren 40 beliebige Formen haben, wie es in Fig. 9B angedeutet ist. Je abrupter die Formen sind, umso mehr „Strudel" bzw. Turbulenzen werden erzeugt. Gleichzeitig können die Turbulenzgeneratoren aber auch ausgebildet sein, um mit speziellen Formen ein „Teilen" und „Umfalten" des Was- serflusses zu erreichen.
Außer den dargestellten Implementierungen können die Turbulenzgeneratoren auch z.B. durch in die Arbeitsflüssigkeit hineinragende Elemente, wie beispielsweise Stäbe etc. implementiert werden, die nicht mit der Oberfläche 80 fest verbunden sind, sondern z.B. oberhalb der Oberfläche 80 aufgehängt sind. Diese Stäbe können, je nach Implementierung auch bewegt werden, um besonders starke Turbulenzen zu erzeugen. Turbulenzen können somit auf viele verschiedene Arten und Weisen erzeugt werden, wobei Turbulenzgeneratoren, um diese Turbulenzen zu erzeugen, mit der Arbeitsoberfläche 80 fest verbunden sein können oder aber auch statisch oder dynamisch relativ zur Arbeits- Oberfläche positioniert werden, solange, vorzugsweise, mindestens 20% der gesamten Wasserströmung mit Turbulenzen versehen werden. Bei speziellen Ausführungsbeispielen wird es bevorzugt, soweit als möglich nahezu die gesamte Arbeitsoberfläche des Verdampfers bzw. Kondensierers mit Turbulenzgeneratoren zu versehen, so dass zwischen 90% und nahezu 100 % der gesamten Strömung turbulent sind bzw. auf die Flä- che der Oberfläche 80 bezogen, mehr als 80% bzw. mehr als 90% der Flüssigkeit auf der Oberfläche 80 in Turbulenzen sind.
Fig. 10A zeigt einen Querschnitt durch eine Laminarisierungseinrichtung mit diversen Laminarisierungszellen 120. Oberhalb der Laminarisiererzellen 120 ist turbulenter Dampf mit einer Temperatur 9-Q, wie es schematisch durch die ungerichteten Dampfpfeile 122 angedeutet ist. Unterhalb der Laminarisiererzellen 120 ist jedoch laminari- sierter Dampf 124 dargestellt, der aufgrund der Tatsache, dass er nahe an der Flüssigkeit des Kondensierers auf der Kondensiereroberfläche 80 ist, eine Temperatur von etwa gleich $w hat. 9w ist niedriger als 9D- Der Verlauf der Temperatur in einer Laminarisie- rerzelle von x=0 bis x=L ist in Fig. 1OB schematisch dargestellt. Es ist ein exponentiel- ler Zusammenhang erkennbar, wobei die Temperatur bei x=0 etwa gleich 9w ist und über einen näherungsweise exponentiellen Zusammenhang bei X=L die Temperatur $D erreicht. Dieser Zusammenhang ist durch eine Ortskonstante K charakterisiert, die in Fig. 1 OB eingezeichnet ist. Damit eine gute Laminarisierung und damit eine gute Temperaturverteilung stattfindet, wird es bevorzugt, die Länge einer Laminarisiererzelle 120 zumindest so groß auszuführen, dass die Länge größer gleich 2K ist.
Darüber hinaus kann bei der vorliegenden Erfindung die Temperatur des ungerichteten Dampfs $D viel höher als die Temperatur des Wassers $w sein. Dennoch sind keine Dampfkühler etc. erforderlich, da der Laminarisierer 48 mit den einzelnen Laminarisie- rerzellen 120, die durch Wände 121 voneinander getrennt sind, die in Fig. 10b gezeigte Temperaturverteilung erzwingt. Im Ausführungsbeispiel ist der Laminarisierer waben- förmig oder aus einem Rohrmaterial, solange einzelne mehr oder weniger parallel gerichtete und innen vorzugsweise glatte Laminiererzellen 120 vorhanden sind, die eine Laminarisierung bewirken, wie es durch die gerichtete Dampfströmung 124 dargestellt ist.
Der Laminarisierer muss nicht unbedingt eine perfekte 100%ige Laminarisierung erreichen, solange der Gasstrom am Ausgang des Laminarisierers weniger turbulent als der Gasstrom am Eingang des Laminarisierers ist. Vorzugsweise werden die Laminarisie- rerzellen bzw. wird der Laminarisierer insgesamt so ausgelegt, dass die ausgegebene laminarisierte Dampfströmung wenigstens halb so turbulent wie die eingangsseitige turbulente Dampfströmung ist.
Für die Verwendung in einem Kondensierer für eine mit Wasser als Arbeitsflüssigkeit betriebene Wärmepumpe wird es bevorzugt, dass die Länge einer Laminarisiererzelle 120 etwa 10 mm lang ist, wenn der Durchmesser der Laminarisiererzelle 5 mm beträgt. Je höher der Durchmesser einer einzelnen Zelle ist, umso länger sollte auch die Länge L sein, damit auch bei größeren Durchmessern eine ausreichende Laminarisierung erreicht wird. Gleichzeitig existiert bei kleineren Durchmessern eine untere Grenze der Länge, um zu vermeiden, dass ein Düseneffekt entsteht, der zu einer De-Laminarisierung führen kann. Um den Strömungswiderstand für den Dampf so gering als möglich zu ma- chen, wird es bevorzugt, eine große Laminarisiererfläche vorzusehen und die Dicke der Wände 121 zwischen den Laminarisiererzellen 120 in Fig. 10A so gering als möglich auszugestalten. Vorzugsweise ist die Länge dann, wenn der Durchmesser kleiner als 1 mm ist, länger als 1 mm. Andere günstige Beispielabmessungen lauten: wenn der Durchmesser größer als 5 mm ist, ist die Länge größer als 10 mm, und wenn der Durchmesser kleiner als 5 mm ist, ist die Länge kleiner als 10 mm.
Um auch bei nicht kompletter Laminarisierung sicherzustellen, dass eine einigermaßen laminarisierte Strömung auf die Flüssigkeit auf der Kondensiereroberfläche auftrifft, wird es bevorzugt, den Abstand DL zwischen dem Ausgang der Laminarisiererzellen 120 und der Oberfläche der Flüssigkeit relativ klein zu gestalten und insbesondere kleiner als 50 mm, vorzugsweise kleiner als 25 mm oder vorzugsweise kleiner als 6 mm zu machen. Damit wird ebenfalls erzwungen, dass das Gas bzw. die verdampfte Arbeits- flüssigkeit, wenn sie die Laminarisiererzellen 120 verlässt, eine Temperatur hat, die nahezu gleich bzw. nur geringfügig höher ist als die Temperatur des Wassers. Damit wird sichergestellt, dass die in der Strömung befindlichen Dampfteilchen nicht vom Wasser „abprallen" bzw. wiederum dampferzeugend wirken, sondern durch Kondensation in das Wasser aufgenommen werden, da nur so eine besonders effiziente Wärme- Übertragung vom Dampf zum Wasser stattfindet.
Der erfindungsgemäße Laminarisierer liefert eine erhebliche Steigerung des Wirkungsgrads beim Kondensieren. Im Stand der Technik ohne Laminarisierer hat der Wirkungsgrad in Leistung pro Fläche stark abgenommen, je höher die Temperatur des Dampfes bezüglich der Temperatur der Kondensiererflüssigkeit ist. So kann man sagen, dass bei einer Überhitzung des Dampfes von 10° nur noch 10% Kondensiererleistung möglich war. Dies hat daher zu Kondensiererleistungen von 2 - 3kW pro m2 für ein typisches Oberflächenkondensieren bzw. Verdampfen geführt. Erfindungsgemäß wird bei gleicher Fläche eine erheblich größere Leistung erreicht, die je nach Implementierung von 40-200 kW/m2 oder sogar noch darüber liegen kann. Dies bedeutet zumindest eine Verzwanzigfachung des Wirkungsgrades mit einfachen Maßnahmen. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Wirkungsgrad relativ unabhängig von der Temperatur des ungerichteten Dampfes ist. Daher ist es erfindungsgemäß ohne Weiteres möglich, einen Dampf mit einer Temperatur von z.B. über 150° C mit einem Wasser zu kondensieren, das zum Beispiel bei 40° C liegt. Der Laminarisierer liefert daher eine Entkopplung des Kondensiererwirkungsgrads von der Dampftemperatur am Ausgang des Verdichters. Damit kann der Verdichter nach seinen Anforderungen dimensioniert werden und es muss bei der Dimensionierung des Verdichters gemäß der vorliegenden Erfindung nicht mehr darauf geachtet werden, welche thermischen Verhältnisse zum Kondensieren nötig sind.
Abweichend von den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen können die Turbulenzgeneratoren und die Laminarisierungseinrichtung nicht als zwei getrennte Elemente sondern auch durch ein und dasselbe Element ausgebildet werden. Beispiels- weise kann auf die Verdampferoberfläche oder die Kondensiereroberfläche ein Fasergewebe bzw. eine Fasermatte aus vorzugsweise nicht saugfähigen Fasern gelegt werden, wobei die Oberfläche des Fasergewebes über den Stand der Flüssigkeit hinausragt, und zwar vorzugsweise mehr als 3mm und insbesondere mehr als 5 mm. Die Flüssigkeit umspült die Fasern, wodurch Turbulenzen erzeugt werden. Die umspülten Fasern stellen die Turbulenzgeneratoren dar. Die über die Flüssigkeit hinausragenden Fasern, die nicht umspült werden, stellen dagegen die Laminarisierungseinrichtung dar. Die Reibung des Dampfes an den Fasern, die nicht unbedingt ausgerichtet sein müssen, resultiert in einer Laminarisierung des Dampfes. Das Material der Fasern ist Kunststoff oder Metall, und das Fasergewebe ist beispielsweise Metallwolle oder insbesondere Stahlwolle. Vorteilhaft an dieser Implementierung ist, dass diese Implementierung selbstjustierend ist, da die Aufteilung in Turbulenzgenerator und Laminarisierungseinrichtung automatisch ist und durch den aktuellen Flüssigkeitsstand definiert ist. Außerdem ist die Montage besonders einfach und damit kostengünstig.
Obgleich bestimmte Elemente als Vorrichtungsmerkmale beschrieben worden sind, soll dies gleichzeitig eine Beschreibung eines entsprechenden Verfahrensschritts sein.

Claims

Patentansprüche
1. Verdampfer (42) zum Verdampfen einer Arbeitsflüssigkeit (41), mit folgenden Merkmalen:
einer Verdampferoberfläche (80), auf der die zu verdampfende Arbeitsflüssigkeit anzuordnen ist; und
einer Vielzahl von Turbulenzgeneratoren (40), die ausgebildet sind, um in der auf der Verdampferoberfläche (80) zu verdampfenden Arbeitsflüssigkeit Turbulenzen zu erzeugen.
2. Verdampfer nach Anspruch 1, der ferner folgende Merkmale aufweist:
ein Verdampfergehäuse (42'), in dem die Verdampferoberfläche (80) angeordnet ist, und dazu ausgebildet ist, um in dem Verdampfergehäuse bei der Verdampferoberfläche (80) einen Druck zu halten, der derart ist, dass die Arbeitsflüssigkeit, wenn die Arbeitsflüssigkeit die Verdampferoberfläche erreicht, eine Siedetemperatur oder eine Temperatur hat, die in einem Bereich liegt, der sich von ei- ner Temperatur gleich der Siedetemperatur -10 Kelvin bis zu einem einer Temperatur gleich der Siedetemperatur + 10 Kelvin erstreckt.
3. Verdampfer nach Anspruch 2, bei dem das Verdampfergehäuse (42') einen Zulauf (106) für die Arbeitsflüssigkeit und eine Abführungsöffhung (100) für einen Dampf der Arbeitsflüssigkeit aufweist, wobei die Abfuhrungsöffhung (100) so ausgebildet ist, dass sie mit einem Eingang eines Verdichters (102) zum Verdichten des Dampfes koppelbar ist.
4. Verdampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Verdamp- feroberfläche (80) in einer Arbeitsposition geneigt ist, wobei die Arbeitsflüssigkeit so der Verdampferoberfläche (80) zugeführt wird, dass die Arbeitsflüssigkeit von einer Zuführung (86a) zu einem Ablauf (86b) von der Verdampferoberfläche (80) aufgrund der Schwerkraft fließt.
5. Verdampfer nach Anspruch 4, bei dem die Verdampferoberfläche pyramidenförmig, kegelförmig, trichterförmig oder in Form einer schiefen Ebene ist, wobei die schiefe Ebene plan oder nicht plan ist.
6. Verdampfer nach einem der Ansprüche 4 oder 5, bei dem ein Zulauf für die Arbeitsflüssigkeit von der Verdampferoberfläche (80) so umgeben ist, dass die Arbeitsflüssigkeit auf mehreren Seiten des Zulaufs über die Verdampferoberfläche (80) fließt (83).
7. Verdampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Turbulenzgeneratoren (40) durch eine von der Verdampferoberfläche separiertes Bauteil (82) oder durch Erhöhungen oder Vertiefungen 90 an der Verdampferoberfläche 80 ausgebildet sind.
8. Verdampfer nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Turbulenzgeneratoren (40) durch Drahtabschnitte (84a, 84b) auf der Verdampferoberfläche ausgebildet sind, die bezüglich der Verdampferoberfläche befestigt sind und so angeordnet sind, dass eine Flussrichtung (83) der Arbeitsflüssigkeit eine Rich- tung, in der die Drahtabschnitte angeordnet sind, schneidet.
9. Verdampfer nach Anspruch 8, bei dem die Turbulenzgeneratoren als miteinander verbundene spiralförmige Drahtabschnitte gebildet sind, wobei ein Abstand zwischen zwei benachbarten Drahtabschnitten in Flussrichtung (83) der Arbeitsflüs- sigkeit größer als der Durchmesser eines Drahtabschnitts und kleiner als das
Dreifache des Durchmessers des Drahtabschnitts ist.
10. Verdampfer nach Anspruch 7, bei dem die Erhebungen (90) oder die Vertiefungen so dimensioniert sind, dass eine auftreffende Arbeitsflüssigkeit in Turbulen- zen versetzbar ist.
1 1. Verdampfer nach Anspruch 10, bei der die Erhebungen (90) eine Höhe haben, mit der sie sich über die Oberfläche (80) erstrecken, die höher ist als ein Stand der Arbeitsflüssigkeit auf der Verdampferoberfläche (80) in einem Betrieb des Verdampfers.
12. Verdampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Turbulenzgeneratoren so ausgebildet sind, dass ein Wasserstrom auf der Verdampferoberfläche Turbulenzen aufweist, die vorzugsweise wenigstens 20% der gesamten Flüssigkeitsströmung auf dem Verdampfer umfassen.
13. Kondensierer zum Kondensieren einer verdampften Arbeitsflüssigkeit mit folgenden Merkmalen: einer Kondensiereroberfläche (80), auf der eine Arbeitsflüssigkeit anzuordnen ist;
einer Vielzahl von Turbulenzgeneratoren, die ausgebildet sind, um in der auf der
Kondensiereroberfläche (80) befindlichen Arbeitsflüssigkeit Strömungsturbulenzen zu erzeugen; oder
eine Laminarisierungseinrichtung (48), die ausgebildet ist, um eine auf die Kon- densiereroberfläche (80) gerichtete Dampfströmung (124) zu laminarisieren, so dass ein durch die Laminarisierungseinrichtung (48) laminarisierter Dampf auf die Arbeitsflüssigkeit (41) auftrifft.
14. Kondensierer nach Anspruch 13 mit folgenden Merkmalen:
einem Kondensierergehäuse (43'), in dem die Kondensiereroberfläche (80) angeordnet und dazu ausgebildet ist, um in dem Kondensierergehäuse bei der Kondensiereroberfläche einen Druck zu halten, der derart ist, dass eine kondensierte Arbeitsflüssigkeit eine vorbestimmte Minimaltemperatur hat.
15. Kondensierer nach Anspruch 14, bei dem die Minimaltemperatur größer oder gleich 22° C ist.
16. Kondensierer nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei dem die Kondensierer- Oberfläche (80) in einer Arbeitsposition geneigt ist, wobei die Flüssigkeit so zu der Kondensiereroberfläche zugeführt wird, dass die Flüssigkeit von einer Zuführung zu einem Ablauf von der Kondensiereroberfläche aufgrund der Schwerkraft fließt.
17. Kondensierer nach Anspruch 16, bei dem die Verdampferoberfläche pyramidenförmig, kegelförmig, trichterförmig oder in Form einer schiefen Ebene ist, die plan oder nicht plan ist.
18. Kondensierer nach einem der Ansprüche 16 oder 17, bei dem ein Zulauf für die Flüssigkeit zu der Kondensiereroberfläche von der Kondensiereroberfläche so umgeben ist, dass die Flüssigkeit auf mehreren Seiten des Zulaufs (41) über die Kondensiereroberfläche (80) fließt.
19. Kondensierer nach einem der Ansprüche 13 bis 18, der sowohl die Turbulenzgeneratoren (40) als auch die Laminarisierungseinrichtung (48) aufweist, wobei die Laminarisierungseinrichtung (48) so angeordnet ist, dass der laminarisierte Dampf (124) auf durch die Turbulenzgeneratoren (40) erzeugte Turbulenzen der Flüssigkeit auf der Kondensiereroberfläche (80) auftrifft.
20. Kondensierer nach einem der Ansprüche 13 bis 19, der sowohl die Turbulenzgeneratoren (40) als auch die Laminarisierungseinrichtung (48) aufweist, wobei sowohl die Turbulenzgeneratoren (40) als auch die Laminarisierungseinrichtung (48) durch ein und dasselbe Element gebildet ist.
21. Kondensierer nach Anspruch 20, bei dem das Element ein Fasergewebe aufweist, das über einen Flüssigkeitsstand auf der Kondensiereroberfläche hinausragt.
22. Kondensierer nach Anspruch 21, bei dem das Fasergewebe eine Kunststoffwolle mit nicht saugfähigen Fasern oder eine Metallwolle ist.
23. Kondensierer nach einem der Ansprüche 13 bis 22, bei dem ein Abstand der Laminarisierungseinrichtung (4) von der Arbeitsflüssigkeit auf der Kondensiereroberfläche (80), den der laminarisierte Dampf zurückzulegen hat, kleiner als 25 mm ist.
24. Kondensierer nach Anspruch 23, der aus Wabenmaterial oder Rohrmaterial mit Laminarisiererzellen (120) ausgebildet ist, wobei eine Länge einer Laminarisie- rerzelle im Verhältnis zu einem Durchmesser der Laminarisiererzelle (120) so ausgebildet ist, dass ausgangsseitig ein Gasstrom erzeugt wird, der wenigstens halb so turbulent ist wie ein Gasstrom, der in den Laminarisierer (48) eingespeist wird.
25. Kondensierer nach Anspruch 24, bei dem eine Laminarisiererzelle (120), wenn sie einen Durchmesser größer 5 mm hat, länger als 10 mm ist, und wenn sie einen Durchmesser kleiner als 1 mm hat, länger als 1 mm ist.
26. Kondensierer nach einem der Ansprüche 13 bis 25, bei dem ein Flüssigkeitsreservoir vorhanden ist, in das von der Kondensiereroberfläche (80) ablaufende Flüssigkeit eingebracht wird, und von dem kühlere Flüssigkeit im Vergleich zu der abgelaufenen Flüssigkeit als Flüssigkeitsstrom (41) der Kondensiereroberfläche (80) zufuhrbar ist.
27. Verdampfer oder Kondensierer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der für eine Verwendung in einer Wärmepumpe ausgebildet ist.
28. Verdampfer oder Kondensierer gemäß Anspruch 27, der für eine Verwendung einer Wärmepumpe zur Gebäudeheizung für Gebäude mit weniger als 10 Wohneinheiten ausgebildet ist.
29. Verdampfer oder Kondensierer, bei dem die Arbeitsflüssigkeit Wasser ist.
30. Wärmepumpe mit folgenden Merkmalen:
einem Verdampfer (42) nach einem der Ansprüche 1 bis 12;
einem Kondensierer (43) nach einem der Ansprüche 13 bis 23; und
einem Verdichter (102) zum Verdichten von von dem Verdampfer (4) verdampf- ter Arbeitsflüssigkeit, wobei der Verdichter (10) mit dem Kondensierer (4) gekoppelt ist, um verdichteten Dampf in den Kondensierer (43) zu speisen, und
wobei der Kondensierer (43') femer einen Heizungsvorlauf (HOa) zum Liefern von warmer Heizungsflüssigkeit und einen Heizungsrücklauf (HOb) zum Lie- fern von kalter Heizungsflüssigkeit zu dem Kondensierer (43') aufweisen.
31. Verfahren zum Verdampfen (42) einer Arbeitsflüssigkeit (41) mit folgenden Schritten:
Anordnen einer zu verdampfende Arbeitsflüssigkeit auf einer Verdampferoberfläche (80); und
Erzeugen von Turbulenzen (40) in der auf der Verdampferoberfläche (80) zu verdampfenden Arbeitsflüssigkeit.
32. Verfahren zum Kondensieren einer verdampften Arbeitsflüssigkeit mit folgenden Schritten: Anordnen von Arbeitsflüssigkeit auf einer Kondensiereroberfläche (80);
Erzeugen von Turbulenzen (40) in der auf der Kondensiereroberfläche (80) angeordneten Arbeitsflüssigkeit; oder
Laminarisieren (48) einer auf die Kondensiereroberfläche (80) gerichteten Dampfströmung (124), so dass laminarisierter Dampf auf die Arbeitsflüssigkeit (41) auftrifft.
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