WO2016146532A1 - Thermodynamische kreisprozessanlage sowie verfahren zur reduktion von druck- und/oder temperaturspitzen in einer thermodynamischen kreisprozessanlage - Google Patents

Thermodynamische kreisprozessanlage sowie verfahren zur reduktion von druck- und/oder temperaturspitzen in einer thermodynamischen kreisprozessanlage Download PDF

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WO2016146532A1
WO2016146532A1 PCT/EP2016/055314 EP2016055314W WO2016146532A1 WO 2016146532 A1 WO2016146532 A1 WO 2016146532A1 EP 2016055314 W EP2016055314 W EP 2016055314W WO 2016146532 A1 WO2016146532 A1 WO 2016146532A1
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WO
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heat pipe
thermodynamic cycle
heat
pressure
region
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PCT/EP2016/055314
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Inventor
Matthias Görich
Sabina Görich
Original Assignee
Matthias Görich
Sabina Görich
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Application filed by Matthias Görich, Sabina Görich filed Critical Matthias Görich
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B40/00—Subcoolers, desuperheaters or superheaters

Definitions

  • thermodvnamischen Kreisreasis Thermodynamic cycle process system and method for the reduction of pressure and / or temperature peaks in a thermodvnamischen Kreisreasis
  • thermodynamic cycle process system having the features of the preamble of claim 1.
  • This may in particular be a compression heat pump or a compression refrigeration machine.
  • a method for reducing pressure and / or temperature peaks in a thermodynamic cycle process plant in particular in a compression heat pump or a compression refrigeration machine specified.
  • Thermodynamic cycle equipment of the above type can be used to convert heat to work or by using work for heating or cooling. For this purpose, they have a circulated working medium whose state is changed periodically.
  • the work required for heating or cooling can be introduced by a compressor.
  • the compressor compresses the working fluid so that the area downstream of the compressor defines a high pressure area and the area upstream of the compressor defines a low pressure area. To compress the working medium again, it must first be relaxed.
  • a throttle device which may be designed, for example, as a throttle or as an expansion valve. Accordingly, the high pressure region ends before the throttle device, while after the throttle device, the low pressure region begins.
  • a thermodynamic cycle process plant regularly has an evaporator and a condenser, by means of which the state of matter of the circulating working medium can be changed. In the area of the evaporator, heat is supplied to the working medium, which converts the initially still liquid working medium into a gaseous state. The supplied
  • thermodynamic cycle plant Energy in the form of heat is then released again in the region of the condenser, by converting the gaseous working medium back into the liquid state of matter.
  • the heat released can then be used for heating. If the thermodynamic cycle plant is to be used for cooling, the process is reversed.
  • thermodynamic cycle process medium working fluid is also a moving mass that continues to move for a while after switching off the system. This can lead to high pressure and / or temperature peaks in the high-pressure region, preferably directly upstream of the throttle device, due to backflow. These can reach values that place a high load on the system. Accordingly, such systems are usually designed for high peak values.
  • the present invention has for its object to provide a thermodynamic cycle process system of the aforementioned type, in which pressure and / or temperature peaks in the high-pressure region significantly less high when the system is turned off. This is intended to reduce the load on the system and extend the service life.
  • thermodynamic cycle plant with the features of claim 1 is given. Furthermore, a method for the reduction of pressure and / or temperature peaks in a thermodynamic cycle plant with the features of claim 10 is given. Advantageous embodiments of the invention can be found in the respective subclaims. Disclosure of the invention
  • the proposed thermodynamic cycle plant has a circulating working fluid which is compressed and expanded during operation of the plant and defines in this way a high pressure area and a low pressure area of the plant.
  • the high-pressure region and the low-pressure region are connected via at least one heat pipe, which likewise has a circulating working medium.
  • the connection through the heat pipe allows the dissipation of excess energy in the form of heat from the high pressure area to the low pressure area.
  • not only temperature peaks but also pressure peaks in the high-pressure area can be reduced. This has an especially beneficial after switching off the system.
  • the reduction of pressure and / or temperature peaks, especially after switching off the system leads to a lower load on the system, which at the same time increases the life of the system.
  • connection via the heat pipe has advantages. On the one hand, smoothness and, on the other, the energy efficiency of the system can be increased. Because the heat pipe promotes a temperature balance between the high pressure and the low pressure area. The energy dissipated in the low pressure range in the form of heat can be used to heat the working medium, so that this energy is maintained. At the same time, the dissipated energy leads to a lowering of the temperature downstream of a device provided for the relaxation of the working fluid throttle device, whereby the external energy input increases and the efficiency of the system is further increased.
  • the heat pipe used here as an internal heat exchanger requires no auxiliary means, such as a pump, in order to transfer heat from the high-pressure region to the low-pressure region.
  • a heat pipe also called heat pipe
  • a heat pipe has the advantage that it is able to absorb large amounts of heat at comparatively small transverse sectional area to transport.
  • the transport takes place via an independently circulating working medium, which in this case changes its state of aggregation.
  • a heat pipe or a heat pipe according to the prior art is shown by way of example from EP 0 415 231 A2. It comprises a tubular housing in which a heat-transporting medium is accommodated. In a vaporization region of the heat pipe, the medium vaporizes, absorbing heat, and condenses in a condensation region of the heat pipe, releasing the previously absorbed heat. This forms a vapor stream and a condensate stream, which flow through the housing in opposite directions along.
  • the system comprises a compressor for compressing its working medium and / or a throttle device, for example in the form of a throttle or an expansion valve, for the relaxation of their working medium.
  • a throttle device for example in the form of a throttle or an expansion valve, for the relaxation of their working medium.
  • the region downstream of the compressor or upstream of the throttle device thus forms the high-pressure region, while the region downstream of the throttle device or upstream of the compressor forms the low-pressure region.
  • the heat pipe is connected on the one hand immediately upstream of the throttle device and on the other hand immediately upstream of the compressor to the system. This has the advantage that the region which is particularly heavily loaded especially when the system is switched off by pressure and / or temperature peaks is relieved immediately upstream of the throttle device.
  • the plant preferably comprises a condenser arranged in the high-pressure region and / or an evaporator arranged in the low-pressure region. These plant components can be used to change the state of aggregation of the working medium circulating in the system.
  • the heat pipe preferably has an evaporation zone and a condensation zone to change the state of matter of its working medium.
  • the heat pipe in the region of the evaporation zone is connected in a heat-transmitting manner to the high-pressure region of the plant and in the region of the condensation zone to the low-pressure region of the plant. Because by evaporation and subsequent condensation of the working fluid in the heat pipe heat from the high pressure area of the system can be transferred to the low pressure area of the system to compensate for pressure and / or temperature differences in this way.
  • the working medium of the plant and the working medium of the heat pipe are separated only by a wall of a pipe or a pipe, wherein the pipe or pipe may be a part of the heat pipe or the plant.
  • the tube may form the body or a body part of the heat pipe and be introduced into a pipe or a line of the system in such a way that it is flowed around outside of the working medium of the system.
  • the heat pipe can be penetrated by a pipe or a line of the system, so that the recorded in the heat pipe wall portion of the pipe or the line of the system causes the separation of the two working media from each other.
  • the latter has the advantage that the heat transfer surface can be formed over a particularly large area, whereby the heat transfer is increased again.
  • the heat pipe itself can be made of any material, because the heat is transmitted through "internal heat transfer surfaces" that are not formed by the heat pipe.
  • the wall that separates both working media from each other made of a particularly thermally conductive material.
  • this may be a metallic material.
  • the wall may have a profiled outer contour and / or a structured surface.
  • the heat pipe is at least partially made of a thermally conductive material, it is proposed that it is at least partially thermally insulated.
  • the heat pipe can be made at least in sections from a heat-insulating material.
  • a heat-insulating material offers in particular plastic.
  • the heat pipe is at least partially bendable.
  • the at least partially bending elastic design of the heat pipe facilitates the installation of the same, especially in confined space conditions.
  • already existing thermodynamic cycle systems can be retrofitted in a simple manner to a system according to the invention.
  • the heat pipe has a curved, curved or angled shape at least in sections.
  • the heat pipe is designed in several parts.
  • the connection of the heat pipe to a pipe or to a line of the thermodynamic cycle plant can be simplified because, for example, the multiple parts can be created in the manner of a pipe clamp.
  • material changes are possible, so that, for example, a central portion of the heat pipe can be made of a heat-insulating and / or bending elastic material.
  • differently shaped and dimensioned body parts can be kept for the formation of a heat pipe, which are then combined depending on the application.
  • the multi-part design proves to be particularly advantageous when retrofitting a thermodynamic cycle system.
  • the method further proposed for the reduction of pressure and / or temperature peaks in a thermodynamic cycle process plant is characterized in that the high-pressure region and the low-pressure region are connected via at least one heat pipe. Heat is removed from the high-pressure region via the connection produced by the heat pipe and supplied to the low-pressure region, which ultimately leads to the reduction of pressure and / or temperature peaks.
  • at least one heat pipe is used to compensate for existing pressure and / or temperature differences between the high-pressure region and the low-pressure region.
  • thermodynamic cycle processing plants are basically feasible on all thermodynamic cycle processing plants.
  • already existing thermodynamic cycle systems can be easily retrofitted by connecting the high-pressure region and the low-pressure region via at least one heat pipe, so that the heat pipe assumes the function of an internal heat exchanger.
  • the method according to the invention unfolds its advantageous effect even outside the operating times of the system.
  • the use of the heat pipe reduces the load on the system, which in turn has a positive effect on the service life of the system.
  • the heat pipe can simultaneously increase the smoothness and efficiency of the system.
  • a high-pressure region located immediately upstream of a throttle device of the system and a low-pressure region located immediately upstream of a compressor of the system are connected via the heat pipe. Since the greatest pressure and / or temperature differences prevail between these areas, the maximum effect can be achieved with this arrangement.
  • the heat pipe preferably has an evaporation zone and a condensation zone.
  • the evaporation zone becomes the heat pipe connected to the high-pressure area of the plant and in the region of the condensation zone with the low-pressure region of the plant heat transfer.
  • the high-pressure area serves as a heat source and the low-pressure area as a heat sink.
  • the existing between the heat source and the heat sink temperature difference causes the working fluid of the heat pipe undergoes a change in its state of matter and thus circulated in the heat pipe.
  • thermodynamic cycle according to the invention process according to a first preferred embodiment
  • thermodynamic cycle process system shows a schematic representation of a thermodynamic cycle process system according to the invention in accordance with a further preferred embodiment.
  • the thermodynamic cycle process system illustrated in FIG. 1 comprises a compressor 4, which can be driven via an electric motor 17 and serves to compress a working medium of the installation. Further, a throttle device 5 is provided in the form of an expansion valve, which serves to relax the working medium. Upstream of the compressor 4 to the throttle device 5 thus prevails high pressure (high-pressure region 1) and downstream of the throttle device 5 to the compressor 4 thus prevails low pressure (low pressure region 2).
  • the flow direction 16 of the working medium is indicated by arrows.
  • an evaporator 7 is arranged, which causes a change in the state of matter of the working medium during operation of the system. This means that the originally liquid working medium in the region of the evaporator 7 is converted into a gaseous state. The working medium absorbs heat. When condensing in the region of a capacitor 6, the High pressure area 1 is arranged, then the heat absorbed is released again.
  • the system shown in FIG. 1 thus operates on the principle of a compression heat pump. Between the high-pressure region 1 and the low-pressure region 2, high pressure and / or temperature differences prevail, which may increase even more when the system is switched off. Because then the working fluid initially flows further in the direction of the throttle device 5 and is only slowed down by this. Immediately upstream of the throttle device can thus arise particularly high pressure and / or temperature peaks, which the
  • the high-pressure region 1 immediately upstream of the throttle device 5 via a heat pipe 3 to the low-pressure region 2 immediately upstream of the compressor 4 is connected.
  • the heat pipe causes a pressure and / or temperature compensation and reduces in this way pressure and / or temperature peaks in front of the throttle device 5.
  • the heat pipe 3 of the system of FIG. 1 is designed in several parts. The several
  • Parts are each tubular, with a tubular central part is bent to accommodate the space requirements.
  • the two end sections connected to the tubular central part, each of which is formed from a tube 11, serve to connect the heat pipe 3 to the installation.
  • the tubes 1 1 are each introduced into a pipe 12 of the system and connected to this fluid-tight.
  • the walls 10 of the tubes 1 1 of the heat pipe 3 form in this way heat transfer surfaces which separate the working medium of the system from a working medium of the heat pipe 3.
  • the walls 10 and the tubes 1 1 are therefore made of a particularly thermally conductive material.
  • Heat pipe 3 surrounded by a heat insulation 15.
  • Fig. 1 the heat pipe 3 is shown in section. Therefore, it can be seen that in the heat pipe 3, a steam channel 13 and a condensate channel 14 are formed. These promote a circulation of the working medium within the heat pipe 3. Via the steam channel 13, the gaseous working medium of a ner evaporation zone 8 is guided in the direction of a condensation zone 9. There condenses the working fluid and flows as condensate over the
  • the multi-part design of the heat pipe 3 in the system of Fig. 1 requires a fluid-tight connection of the plurality of parts.
  • the fluid-tight connection via a flange 18 is made.
  • a sealing element (not shown) can be inserted between the pipe sections to be joined, which is then pressed with it.
  • the working medium of the heat pipe 3 can only be filled when the several parts are fluid-tightly connected.
  • FIG. 2 is a modification of the system of FIG. 1 can be seen. It differs from the previously described essentially in that the heat pipe 3 is connected differently to the system.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine thermodynamische Kreisprozessanlage mit einem zirkulierenden Arbeitsmedium, das im Betrieb der Anlage komprimiert und entspannt wird und auf diese Weise einen Hochdruckbereich (1) und einen Niederdruckbereich (2) der Anlage definiert. Erfindungsgemäß sind der Hochdruckbereich (1) und der Niederdruckbereich (2) über mindestens ein Wärmerohr (3), das ebenfalls ein zirkulierendes Arbeitsmedium aufweist, verbunden. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Reduktion von Druck-und/oder Temperaturspitzen in einer thermodynamischen Kreisprozessanlage.

Description

Beschreibung
Titel:
Thermodynamische Kreisprozessanlage sowie Verfahren zur Reduktion von Druck- und/oder Temperaturspitzen in einer thermodvnamischen Kreisprozessanlage
Die Erfindung betrifft eine thermodynamische Kreisprozessanlage mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 . Hierbei kann es sich insbesondere um eine Kompressionswärmepumpe oder eine Kompressionskältemaschine handeln. Ferner wird ein Verfahren zur Reduktion von Druck- und/oder Temperaturspitzen in einer thermodynamischen Kreisprozessanlage, insbesondere in einer Kompressionswärmepumpe oder einer Kompressionskältemaschine angegeben.
Stand der Technik
Thermodynamische Kreisprozessanlagen der vorstehend genannten Art können zur Umwandlung von Wärme in Arbeit oder durch Aufwenden von Arbeit zum Heizen oder Kühlen eingesetzt werden. Hierzu weisen sie ein im Kreis geführtes Arbeitsmedium auf, dessen Zustand periodisch geändert wird.
Die zum Heizen oder Kühlen erforderliche Arbeit kann durch einen Kompressor eingebracht werden. Der Kompressor komprimiert das Arbeitsmedium, so dass der Bereich stromabwärts des Kompressors einen Hochdruckbereich und der Bereich stromaufwärts des Kompressors einen Niederdruckbereich definiert. Um das Arbeitsmedium erneut zu komprimieren, muss es zuvor entspannt werden.
Hierzu ist eine Drosseleinrichtung vorgesehen, die beispielsweise als Drossel oder als Expansionsventil ausgebildet sein kann. Der Hochdruckbereich endet demnach vor der Drosseleinrichtung, während nach der Drosseleinrichtung der Niederdruckbereich beginnt. Darüber hinaus weist eine thermodynamische Kreisprozessanlage regelmäßig einen Verdampfer und einen Kondensator auf, mittels welcher der Aggregatzustand des zirkulierenden Arbeitsmediums geändert werden kann. Im Bereich des Verdampfers wird dem Arbeitsmedium Wärme zugeführt, die das zunächst noch flüssige Arbeitsmedium in einen gasförmigen Zustand überführt. Die zugeführte
Energie in Form von Wärme wird dann im Bereich des Kondensators wieder freigesetzt, indem das gasförmige Arbeitsmedium zurück in den flüssigen Aggregatzustand überführt wird. Die frei gewordene Wärme kann dann zum Heizen eingesetzt werden. Soll die thermodynamische Kreisprozessanlage zum Kühlen eingesetzt werden, läuft der Prozess umgekehrt ab.
Das in einer thermodynamischen Kreisprozessanlage zirkulierende Arbeitsmedium stellt zugleich eine bewegte Masse dar, die sich nach Abschalten der Anlage noch eine Zeit lang weiter bewegt. Dies kann dazu führen, dass es im Hochdruckbereich, und zwar bevorzugt unmittelbar stromaufwärts der Drosseleinrichtung, aufgrund eines Rückstaus zu hohen Druck- und/oder Temperaturspitzen kommt. Diese können Werte erreichen, die eine hohe Belastung für die Anlage darstellen. Entsprechend sind solche Anlagen in der Regel auf hohe Spitzenwerte ausgelegt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine thermodynamische Kreisprozessanlage der vorstehend genannten Art bereitzustellen, bei welcher Druck- und/oder Temperaturspitzen im Hochdruckbereich deutlich weniger hoch ausfallen, wenn die Anlage abgeschaltet wird. Dadurch soll die Belastung der Anlage reduziert und die Lebensdauer verlängert werden.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine thermodynamische Kreisprozessanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 angegeben. Ferner wird ein Verfahren zur Reduktion von Druck- und/oder Temperaturspitzen in einer thermodynamischen Kreisprozessanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 10 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen. Offenbarung der Erfindung
Die vorgeschlagene thermodynamische Kreisprozessanlage weist ein zirkulierendes Arbeitsmedium auf, das im Betrieb der Anlage komprimiert und entspannt wird und auf diese Weise einen Hochdruckbereich und einen Niederdruckbereich der Anlage definiert. Erfindungsgemäß sind der Hochdruckbereich und der Niederdruckbereich über mindestens ein Wärmerohr, das ebenfalls ein zirkulierendes Arbeitsmedium aufweist, verbunden. Die Verbindung über das Wärmerohr ermöglicht das Abführen überschüssiger Energie in Form von Wärme aus dem Hochdruckbereich in den Niederdruckbereich. Dadurch können nicht nur Temperaturspitzen, sondern auch Druckspitzen im Hochdruckbereich abgebaut werden. Dies wirkt sich insbesondere als Vorteil nach dem Abschalten der Anlage aus. Der Abbau von Druck- und/oder Temperaturspitzen, insbesondere nach Abschalten der Anlage, führt zu einer geringeren Belastung der Anlage, womit sich zugleich die Lebensdauer der Anlage erhöht.
Doch auch im Betrieb der Anlage weist die Verbindung über das Wärmerohr Vorteile auf. Zum Einen kann die Laufruhe, zum Anderen die Energieeffizienz der Anlage gesteigert werden. Denn das Wärmerohr fördert einen Temperaturausgleich zwischen dem Hochdruck- und dem Niederdruckbereich. Die in den Niederdruckbereich abgeführte Energie in Form von Wärme kann zur Erwärmung des Arbeitsmediums genutzt werden, so dass diese Energie erhalten bleibt. Gleichzeitig führt die abgeführte Energie zu einer Absenkung der Temperatur stromabwärts einer zur Entspannung des Arbeitsmediums vorgesehenen Drosseleinrichtung, wodurch der externe Energieeintrag erhöht und die Effizienz der Anlage weiter gesteigert wird.
Im Hinblick auf die Effizienz der Anlage wirkt sich dabei insbesondere als vorteilhaft aus, dass das vorliegend als interner Wärmetauscher eingesetzte Wärmerohr keine Hilfsmittel, wie beispielsweise eine Pumpe, erfordert, um Wärme vom Hochdruckbereich auf den Niederdruckbereich zu übertragen.
Die Funktionsweise eines Wärmerohrs, auch Heatpipe genannt, ist aus dem Stand der Technik seit langem bekannt. Ein Wärmerohr besitzt den Vorteil, dass es in der Lage ist, große Wärmemengen bei vergleichsweise kleiner Quer- schnittsfläche zu transportieren. Der Transport erfolgt dabei über ein selbständig zirkulierendes Arbeitsmedium, das hierbei seinen Aggregatzustand ändert.
Ein Wärmerohr bzw. eine Heatpipe gemäß dem Stand der Technik geht beispielhaft aus der EP 0 415 231 A2 hervor. Es umfasst ein rohrförmiges Gehäuse, in welchem ein wärmetransportierendes Medium aufgenommen ist. In einem Verdampfungsbereich des Wärmerohrs verdampft das Medium, wobei es Wärme aufnimmt, und in einem Kondensationsbereich des Wärmerohrs kondensiert es, wobei es die zuvor aufgenommene Wärme wieder abgibt. Dabei bilden sich ein Dampfstrom und ein Kondensatstrom aus, die das Gehäuse in entgegen gesetzten Richtungen längs durchströmen.
Der erfindungsgemäß vorgesehene Einsatz mindestens eines Wärmerohrs zur Schaffung eines Temperaturausgleichs trägt demnach ferner zum Energieerhalt und in der Folge zur Effizienzsteigerung der Anlage bei.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Anlage einen Kompressor zur Komprimierung ihres Arbeitsmediums und/oder eine Drosseleinrichtung, beispielsweise in Form einer Drossel oder eines Expansionsventils, zur Entspannung ihres Arbeitsmediums. Der Bereich stromabwärts des Kompressors bzw. stromaufwärts der Drosseleinrichtung bildet demnach den Hochdruckbereich aus, während der Bereich stromabwärts der Drosseleinrichtung bzw. stromaufwärts des Kompressors den Niederdruckbereich ausbildet. Vorteilhafterweise ist das Wärmerohr einerseits unmittelbar stromaufwärts der Drosseleinrichtung und andererseits unmittelbar stromaufwärts des Kompressors an die Anlage angeschlossen. Dies hat den Vorteil, dass der insbesondere beim Abschalten der Anlage durch Druck- und/oder Temperaturspitzen besonders stark belastete Bereich unmittelbar stromaufwärts der Drosseleinrichtung entlastet wird. Zugleich kann eine üblicherweise bestehende hohe Druck- und/oder Temperaturdifferenz zwischen diesen Bereichen zur Effizienzsteigerung genutzt werden. Insbesondere kann eine nach Abschalten der Anlage im System verbleibende„Restenergie" transferiert werden, so dass diese dem System erhalten bleibt. Ferner kann durch Abkühlung des Arbeitsmediums stromabwärts der Drosseleinrichtung eine höhere Effizienz bei der externen Energieaufnahme erreicht werden. Des Weiteren bevorzugt umfasst die Anlage einen im Hochdruckbereich angeordneten Kondensator und/oder einen im Niederdruckbereich angeordneten Verdampfer. Über diese Anlagekomponenten kann der Aggregatzustand des in der Anlage zirkulierenden Arbeitsmediums geändert werden.
Das Wärmerohr weist zur Änderung des Aggregatzustands seines Arbeitsmediums bevorzugt eine Verdampfungszone und eine Kondensationszone auf. Vorzugsweise ist das Wärmerohr im Bereich der Verdampfungszone mit dem Hochdruckbereich der Anlage und im Bereich der Kondensationszone mit dem Nie- derdruckbereich der Anlage wärmeübertragend verbunden. Denn durch Verdampfen und anschließendes Kondensieren des Arbeitsmediums im Wärmerohr kann Wärme aus dem Hochdruckbereich der Anlage in den Niederdruckbereich der Anlage übertragen werden, um auf diesem Wege Druck- und/oder Temperaturdifferenzen auszugleichen.
Zur Optimierung der Wärmeübertragung wird vorgeschlagen, dass das Arbeitsmedium der Anlage und das Arbeitsmedium des Wärmerohrs lediglich durch eine Wand eines Rohrs oder einer Leitung getrennt sind, wobei es sich bei dem Rohr oder der Leitung um ein Teil des Wärmerohrs oder der Anlage handeln kann. Beispielsweise kann das Rohr den Körper oder ein Körperteil des Wärmerohrs ausbilden und derart in ein Rohr oder eine Leitung der Anlage eingeführt sein, dass es außenumfangseitig von dem Arbeitsmedium der Anlage umströmt wird. Alternativ kann auch das Wärmerohr von einem Rohr oder einer Leitung der Anlage durchsetzt sein, so dass der im Wärmerohr aufgenommene Wandabschnitt des Rohrs oder der Leitung der Anlage die Trennung der beiden Arbeitsmedien voneinander bewirkt. Letzteres hat den Vorteil, dass die Wärmeübertragungsfläche besonders großflächig ausgebildet werden kann, wodurch die Wärmeübertragung nochmals gesteigert wird. Ferner kann das Wärmerohr selbst aus einem beliebigen Material gefertigt werden, da die Wärme über„innen liegende Wär- meübertragungsflächen" übertragen wird, die nicht durch das Wärmerohr ausgebildet werden.
Vorteilhafterweise ist die Wand, die beide Arbeitsmedien voneinander trennt, aus einem besonders wärmeleitfähigen Material gefertigt. Beispielsweise kann dies ein metallisches Material sein. Alternativ oder ergänzend kann die Wand eine profilierte Außenkontur und/oder eine strukturierte Oberfläche besitzen. Sämtli- che Maßnahmen - allein oder in Kombination - tragen dazu bei, dass die Wärmeübertragung optimiert wird.
Sofern das Wärmerohr zumindest abschnittsweise aus einem wärmeleitfähigen Material gefertigt ist, wird vorgeschlagen, dass es zumindest abschnittsweise wärmeisoliert ist. Alternativ oder ergänzend kann das Wärmerohr zumindest abschnittsweise aus einem wärmeisolierenden Material gefertigt sein. Als wärmeisolierendes Material bietet sich insbesondere Kunststoff an. Durch die Wärmeisolierung bzw. die Fertigung des Wärmerohrs aus einem wärmeisolierenden Ma- terial können die Wärmeabgabe nach Außen und damit der Wärmeverlust minimiert werden. Der Energieerhalt kommt wiederum der Effizienz der thermodyna- mischen Kreisprozessanlage zugute.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Wärmerohr zumin- dest abschnittsweise biegeelastisch ausgebildet ist. Die zumindest abschnittsweise biegeelastische Ausbildung des Wärmerohrs erleichtert die Montage desselben, insbesondere bei beengten Bauraumverhältnissen. Insofern können auch bereits vorhandene thermodynamische Kreisprozessanlagen in einfacher Weise zu einer erfindungsgemäßen Anlage nachgerüstet werden. Alternativ oder er- gänzend wird vorgeschlagen, dass das Wärmerohr zumindest abschnittsweise eine gekrümmte, gebogene oder abgewinkelte Form besitzt.
Vorteilhafterweise ist das Wärmerohr mehrteilig ausgeführt. Auf diese Weise kann die Anbindung des Wärmerohrs an ein Rohr oder an eine Leitung der ther- modynamischen Kreisprozessanlage vereinfacht werden, da beispielsweise die mehreren Teile nach Art einer Rohrschelle angelegt werden können. Dies gilt für die Erstausstattung einer Anlage mit einem Wärmerohr wie auch den Austausch des Wärmerohrs. Ferner sind Materialwechsel möglich, so dass beispielsweise ein mittlerer Abschnitt des Wärmerohrs aus einem wärmeisolierenden und/oder biegeelastischen Material gefertigt kann. Darüber hinaus können verschieden geformte und dimensionierte Körperteile zur Ausbildung eines Wärmerohrs vorgehalten werden, die dann je nach Anwendungsfall kombiniert werden. Die mehrteilige Ausführung erweist sich demnach insbesondere bei der Nachrüstung einer thermodynamischen Kreisprozessanlage als vorteilhaft. Das ferner zur Reduktion von Druck- und/oder Temperaturspitzen in einer thermodynamischen Kreisprozessanlage vorgeschlagene Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Hochdruckbereich und der Niederdruckbereich über mindestens ein Wärmerohr verbunden werden. Über die durch das Wärmerohr hergestellte Verbindung wird Wärme aus dem Hochdruckbereich abgeführt und dem Niederdruckbereich zugeführt, was schließlich zum Abbau von Druck- und/oder Temperaturspitzen führt. Das heißt, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mindestens ein Wärmerohr eingesetzt wird, um einen Ausgleich bestehender Druck- und/oder Temperaturdifferenzen zwischen dem Hochdruckbereich und dem Niederdruckbereich zu schaffen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist grundsätzlich auf allen thermodynamischen Kreisprozessanlagen durchführbar. Beispielsweise lassen sich bereits vorhandene thermodynamische Kreisprozessanlagen in einfacher Weise nachrüsten, indem der Hochdruckbereich und der Niederdruckbereich über mindestens ein Wärmerohr verbunden werden, so dass das Wärmerohr die Funktion eines internen Wärmetauschers übernimmt.
Da, wie bereits erwähnt, die Anlage belastende Druck- und/oder Temperaturspitzen auch oder insbesondere nach Abschalten der Anlage auftreten, entfaltet das erfindungsgemäße Verfahren seine vorteilhafte Wirkung auch außerhalb der Betriebszeiten der Anlage. Durch den Einsatz des Wärmerohrs sinkt die Belastung der Anlage, was sich wiederum günstig auf die Lebensdauer der Anlage auswirkt. Neben der Reduktion von Druck- und/oder Temperaturspitzen kann über das Wärmerohr zugleich eine Steigerung der Laufruhe und der Effizienz der Anlage bewirkt werden.
Bevorzugt werden ein unmittelbar stromaufwärts einer Drosseleinrichtung der Anlage liegender Hochdruckbereich und eine unmittelbar stromaufwärts eines Kompressors der Anlage liegender Niederdruckbereich über das Wärmerohr verbunden. Da zwischen diesen Bereichen die größten Druck- und/oder Temperaturdifferenzen herrschen, kann bei dieser Anordnung der maximale Effekt erzielt werden.
Des Weiteren bevorzugt weist das Wärmerohr eine Verdampfungszone und eine Kondensationszone auf. Im Bereich der Verdampfungszone wird das Wärmerohr mit dem Hochdruckbereich der Anlage und im Bereich der Kondensationszone mit dem Niederdruckbereich der Anlage wärmeübertragend verbunden. Das heißt, dass der Hochdruckbereich als Wärmequelle und der Niederdruckbereich als Wärmesenke dient. Die zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke bestehende Temperaturdifferenz bewirkt, dass das Arbeitsmedium des Wärmerohrs eine Änderung seines Aggregatzustands erfährt und somit im Wärmerohr zirkuliert.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen ther- modynamischen Kreisprozessanlage gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform und
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen ther- modynamischen Kreisprozessanlage gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Die in der Fig. 1 dargestellte thermodynamische Kreisprozessanlage umfasst einen über einen Elektromotor 17 antreibbaren Kompressor 4, welcher der Komprimierung eines Arbeitsmediums der Anlage dient. Ferner ist eine Drosseleinrichtung 5 in Form eines Expansionsventils vorgesehen, das der Entspannung des Arbeitsmediums dient. Stromaufwärts des Kompressors 4 bis zur Drosseleinrichtung 5 herrscht somit Hochdruck (Hochdruckbereich 1 ) und stromabwärts der Drosseleinrichtung 5 bis zum Kompressor 4 herrscht somit Niederdruck (Niederdruckbereich 2). Die Strömungsrichtung 16 des Arbeitsmediums ist durch Pfeile angegeben.
Im Niederdruckbereich 2 ist ein Verdampfer 7 angeordnet, der im Betrieb der Anlage eine Änderung des Aggregatzustands des Arbeitsmediums bewirkt. Das heißt, dass das ursprünglich flüssige Arbeitsmedium im Bereich des Verdampfers 7 in einen gasförmigen Zustand überführt wird. Dabei nimmt das Arbeitsmedium Wärme auf. Beim Kondensieren im Bereich eines Kondensators 6, der im Hochdruckbereich 1 angeordnet ist, wird dann die aufgenommene Wärme wieder abgegeben. Die in der Fig. 1 dargestellte Anlage arbeitet demnach nach dem Prinzip einer Kompressionswärmepumpe. Zwischen dem Hochdruckbereich 1 und dem Niederdruckbereich 2 herrschen hohe Druck- und/oder Temperaturdifferenzen, die insbesondere dann noch zunehmen können, wenn die Anlage abgeschaltet wird. Denn dann strömt das Arbeitsmedium zunächst weiter in Richtung der Drosseleinrichtung 5 und wird erst durch diese gebremst. Unmittelbar stromaufwärts der Drosseleinrichtung können somit besonders hohe Druck- und/oder Temperaturspitzen entstehen, welche die
Anlage belasten.
Bei der dargestellten erfindungsgemäßen Anlage ist daher der Hochdruckbereich 1 unmittelbar stromaufwärts der Drosseleinrichtung 5 über ein Wärmerohr 3 mit dem Niederdruckbereich 2 unmittelbar stromaufwärts des Kompressors 4 verbunden. Das Wärmerohr bewirkt einen Druck- und/oder Temperaturausgleich und reduziert auf diese Weise Druck- und/oder Temperaturspitzen vor der Drosseleinrichtung 5. Das Wärmerohr 3 der Anlage der Fig. 1 ist mehrteilig ausgeführt. Die mehreren
Teile sind jeweils rohrförmig ausgebildet, wobei ein rohrförmiges mittleres Teil gebogen ist, um den Bauraumverhältnissen Rechnung zu tragen. Die mit dem rohrförmigen mittleren Teil verbundenen beiden Endabschnitte, die jeweils aus einem Rohr 1 1 gebildet werden, dienen dem Anschluss des Wärmerohrs 3 an die Anlage. Die Rohre 1 1 sind hierzu jeweils in ein Rohr 12 der Anlage eingeführt und mit diesem fluiddicht verbunden. Die Wände 10 der Rohre 1 1 des Wärmerohrs 3 bilden auf diese Weise Wärmeübertragungsflächen aus, die das Arbeitsmedium der Anlage von einem Arbeitsmedium des Wärmerohrs 3 trennen. Die Wände 10 bzw. die Rohre 1 1 sind daher aus einem besonders wärmeleitfähigen Material gefertigt. Um die Abgabe von Wärme nach außen zu unterbinden ist das
Wärmerohr 3 von einer Wärmeisolierung 15 umgeben.
In der Fig. 1 ist das Wärmerohr 3 im Schnitt dargestellt. Daher ist ersichtlich, dass im Wärmerohr 3 ein Dampfkanal 13 und ein Kondensatkanal 14 ausgebildet werden. Diese fördern eine Zirkulation des Arbeitsmediums innerhalb des Wärmerohrs 3. Über den Dampfkanal 13 wird das gasförmige Arbeitsmedium von ei- ner Verdampfungszone 8 in Richtung einer Kondensationszone 9 geführt. Dort kondensiert das Arbeitsmedium und strömt als Kondensat über den
Kondensatkanal 14 zurück zur Verdampfungszone 8, wo es schließlich wieder verdampft. Die Änderung des Aggregatzustands des Arbeitsmediums des Wärmerohrs 3 bewirkt, dass Wärme aus dem Hochdruckbereich 1 in den Niederdruckbereich 2 übertragen wird.
Die mehrteilige Ausführung des Wärmerohrs 3 bei der Anlage der Fig. 1 erfordert eine fluiddichte Verbindung der mehreren Teile. Vorliegend ist die fluiddichte Verbindung über eine Bördelung 18 hergestellt. Um die Dichtwirkung zu erhöhen, kann ein Dichtelement (nicht dargestellt) zwischen die zu verbindenden Rohrabschnitte eingelegt werden, das dann mit verpresst wird. Das Arbeitsmedium des Wärmerohrs 3 kann selbstverständlich erst dann eingefüllt werden, wenn die mehreren Teile fluiddicht verbunden sind.
Der Fig. 2 ist eine Abwandlung der Anlage der Fig. 1 zu entnehmen. Sie unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen im Wesentlichen dadurch, dass das Wärmerohr 3 anders an die Anlage angebunden ist.
Bei der Ausführungsform gemäß der Fig. 2 wird nicht das Rohr 12 der Anlage von dem Rohr 1 1 des Wärmerohrs 3 durchdrungen, sondern umgekehrt. Die Wärmeübertragungsfläche wird demnach von einer Wand 10 des Rohrs 12 gebildet. Dies besitzt den Vorteil, dass das Material des Rohrs 1 1 des Wärmerohrs 3 beliebig wählbar ist. Insbesondere kann ein schlecht wärmeleitendes bzw. wärmeisolierendes Kunststoffmaterial gewählt werden, so dass eine zusätzliche Wärmeisolierung entbehrlich ist. Ferner hat das von außen angeschlossene Wärmerohr 3 keinen Einfluss auf den Strömungswiderstand im Rohr 12 der Anlage.
Bezugszeichenliste
1 Hochdruckbereich
2 Niederdruckbereich
3 Wärmerohr
4 Kompressor
5 Drosseleinrichtung
6 Kondensator
7 Verdampfer
8 Verdampfungszone
9 Kondensationszone
10 Wand
1 1 Rohr
12 Rohr
13 Dampfkanal
14 Kondensatkanal
15 Wärmeisolierung
16 Strömungsrichtung
17 Elektromotor
18 Bördelung

Claims

Ansprüche
1 . Thermodynamische Kreisprozessanlage mit einem zirkulierenden Arbeitsmedium, das im Betrieb der Anlage komprimiert und entspannt wird und auf diese Weise einen Hochdruckbereich (1 ) und einen Niederdruckbereich (2) der Anlage definiert,
dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckbereich (1 ) und der Niederdruckbereich (2) über mindestens ein Wärmerohr (3), das ebenfalls ein zirkulierendes Arbeitsmedium aufweist, verbunden sind.
2. Thermodynamische Kreisprozessanlage nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage einen Kompressor (4) zur Komprimierung ihres Arbeitsmediums und/oder eine Drosseleinrichtung (5), beispielsweise in Form einer Drossel oder eines Expansionsventils, zur Entspannung ihres Arbeitsmediums umfasst, wobei vorzugsweise das Wärmerohr (3) einerseits unmittelbar stromaufwärts der Drosseleinrichtung (5) und andererseits unmittelbar stromaufwärts des Kompressors (4) an die Anlage angeschlossen ist.
3. Thermodynamische Kreisprozessanlage nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage einen im Hochdruckbereich (1 ) angeordneten Kondensator (6) und/oder einen im Niederdruckbereich (2) angeordneten Verdampfer (7) umfasst.
4. Thermodynamische Kreisprozessanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohr (3) eine Verdampfungszone (8) und eine Kondensationszone (9) aufweist, wobei vorzugsweise das Wärmerohr (3) im Bereich der Verdampfungszone (8) mit dem Hochdruckbereich (1 ) der Anlage und im Bereich der Kondensationszone (9) mit dem Niederdruckbereich (2) der Anlage wärmeübertragend verbunden ist.
Thermodynamische Kreisprozessanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass zur Optimierung der Wärmeübertragung das Arbeitsmedium der Anlage und das Arbeitsmedium des Wärmerohrs (3) lediglich durch eine Wand (10) eines Rohrs (1 1 ) oder einer Leitung getrennt sind, wobei es sich bei dem Rohr (1 1 ) oder der Leitung um ein Teil des Wärmerohrs (3) oder der Anlage handeln kann.
Thermodynamische Kreisprozessanlage nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Wand (10) aus einem besonders wär- meleitfähigen Material gefertigt ist, eine profilierte Außenkontur und/oder eine strukturierte Oberfläche besitzt.
Thermodynamische Kreisprozessanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohr (3) zumindest abschnittsweise wärmeisoliert ist und/oder aus einem wärmeisolierenden Material gefertigt ist.
Thermodynamische Kreisprozessanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohr (3) zumindest abschnittsweise biegeelastisch ausgebildet ist und/oder eine gekrümmte, gebogene oder abgewinkelte Form besitzt.
Thermodynamische Kreisprozessanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohr (3) mehrteilig ausgeführt ist.
10. Verfahren zur Reduktion von Druck- und/oder Temperaturspitzen in einer thermodynamischen Kreisprozessanlage mit einem zirkulierenden Arbeitsmedium, das im Betrieb der Anlage komprimiert und entspannt wird, so dass ein Hochdruckbereich (1 ) und ein Niederdruckbereich (2) definiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckbereich (1 ) und der Niederdruckbereich (2) über mindestens ein Wärmerohr (3) verbunden werden.
1 1 . Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass ein unmittelbar stromaufwärts einer Drosseleinrichtung (5) liegender Hochdruckbereich (1 ) und eine unmittelbar stromaufwärts eines Kompressors (4) liegender Niederdruckbereich (2) über das Wärmerohr (3) verbunden werden.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohr (3) eine Verdampfungszone (8) und eine Kondensationszone (9) aufweist und im Bereich der Verdampfungszone (8) mit dem Hochdruckbereich (1 ) der Anlage und im Bereich der Kondensationszone (9) mit dem Niederdruckbereich (2) der Anlage wärmeübertragend verbunden wird.
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