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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Übertragung von Wärmeenergie an einen Wärmeverbraucher einer Heizungsanlage aus einer eine über einem Betriebstemperaturbereich des Wärmeverbrauchers liegende Temperatur aufweisenden Heizenergiequelle sowie auf eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung.
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Derartige Verfahren finden beispielsweise in Heizungsanlagen Anwendung, bei denen die Heizenergiequelle ein Brenner für gasförmigen, flüssigen oder festen Brennstoff ist, durch den in einem Heizkessel Heizwasser aufgeheizt und in einem äußeren Kreislauf primärseitig durch einen Wärmetauscher hindurchgeführt wird. In diesem Wärmetauscher wird Wärme auf einen sekundärseitig angeschlossenen Heizkreislauf oder Warmwasserkreislauf übertragen. Dabei hängt die Energieeffizienz eines derartigen Verfahrens von verschiedenen Faktoren ab, zu denen insbesondere die Betriebstemperaturen der beteiligten Kreisläufe gehören.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das eine hohe Energieeffizienz aufweist, sowie eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens dadurch gelöst, daß die Wärmeübertragung in einem Kältemittelkreislauf erfolgt, in dem eine flüssige Phase eines Kältemittels mit einer unter dem Betriebstemperaturbereich des Wärmeverbrauchers liegenden niedrigen Temperatur durch Wärmeaufnahme aus der Heizenergiequelle in eine dampfförmige Phase überführt wird, die dampfförmige Phase unter Temperaturerhöhung auf eine über dem Betriebstemperaturbereich des Wärmeverbrauchers liegende hohe Temperatur verdichtet wird, die verdichtete dampfförmige Phase durch Wärmeabgabe an den Wärmeverbraucher in die flüssige Phase überführt wird und die flüssige Phase unter Temperaturerniedrigung auf die niedrige Temperatur entspannt wird.
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Der Kältemittelkreislauf des erfindungsgemäßen Verfahrens erstreckt sich also über vier Abschnitte. In den ersten Abschnitt strömt eine flüssige Phase des Kältemittels mit einer unter dem Betriebstemperaturbereich des Wärmeverbrauchers liegenden niedrigen Temperatur beispielsweise in einen Strömungskanal ein, der beispielsweise in einer von der Heizenergiequelle beheizten Brennkammer ausgebildet ist, und wird dort durch Wärmeaufnahme aus der Heizenergiequelle in eine dampfförmige Phase überführt. Diese strömt in den anschließenden zweiten Abschnitt ein und wird dort mittels eines Verdichters im wesentlichen adiabatisch unter Temperaturerhöhung auf eine über dem Betriebstemperaturbereich des Wärmeverbrauchers liegende hohe Temperatur verdichtet. Diese verdichtete dampfförmige Phase strömt in den anschließenden dritten Abschnitt, der beispielsweise im Primärkreis eines Wärmetauschers liegt, und wird dort durch Wärmeabgabe an den beispielsweise im Sekundärkreis des Wärmetauschers liegenden Wärmeverbraucher in die flüssige Phase überführt. Letztere strömt in den anschließenden vierten Abschnitt, wird dort beispielsweise mittels eines Drosselventils im wesentlich adiabatisch unter Temperaturerniedrigung auf die niedrige Temperatur entspannt und strömt in den daran anschließenden ersten Abschnitt des Kältemittelkreislaufs zurück, von wo aus das Kältemittel den gesamten Zyklus erneut durchläuft.
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Bei diesem Verfahrensablauf ist der Temperaturunterschied zwischen der Temperatur der Heizenergiequelle und der niedrigen Temperatur der von ihr beheizten flüssigen Phase des Kältemittels größer als der Temperaturunterschied zwischen der Temperatur der Heizenergiequelle und dem Betriebstemperaturbereich des Wärmeverbrauchers. Infolge dieses größeren Temperaturunterschiedes erfolgt die Wärmeübertragung mit höherer Effizienz als bei einem direkten Wärmeaustausch zwischen der Heizenergiequelle und einem mit dem Wärmeverbraucher thermisch gekoppelten Wärmeträgermedium. Ebenso erfolgt die Wärmeabgabe an den Wärmeverbraucher infolge der durch die Verdichtung erreichten hohen Temperatur mit einer verhältnismäßig hohen Temperaturdifferenz, wodurch die Effizienz der Wärmeabgabe gesteigert wird. Insbesondere ist bei Zentralheizungssystemen als Verbraucher, je nachdem, ob es sich um ein System mit Heizkörpern oder eine Fußbodenheizung, eine Deckenheizung oder eine Wandheizung handelt, die maximale Vorlauftemperatur auf beispielsweise 60°C, 50°C, 40°C oder 35°C eingestellt, so daß hierdurch der Betriebstemperaturbereich entsprechend nach oben begrenzt ist.
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Insbesondere liegt die Temperatur der für die Wärmeaufnahme zugeführten flüssigen Phase des Kältemittels unterhalb 0°C, insbesondere unterhalb –10°C oder –20°C oder –30°C oder –40°C. In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß die niedrige Temperatur der für die Wärmeaufnahme zugeführten flüssigen Phase unterhalb 0°C, insbesondere im Bereich von –10°C bis –25°C, liegt. Dabei kann die Verfahrensführung weiterhin derart erfolgen, daß die Temperatur der durch die Wärmeaufnahme erzeugten dampfförmigen Phase im Bereich von 45°C bis 80°C liegt. Ferner liegt die durch die Verdichtung hervorgerufene hohe Temperatur der verdichteten dampfförmigen Phase oberhalb 100°C. Insbesondere beträgt sie 110°C oder mehr, vorzugsweise 120°C oder mehr.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß die Temperatur der Heizenergiequelle über 1000°C, insbesondere bei 1400°C, liegt. In diesen Temperaturbereichen liegen beispielsweise die Betriebstemperaturen von Brennern für gasförmige, flüssige oder feste Brennstoffe.
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Für die Durchführung des Verfahrens geeignete Kältemittel sind insbesondere Propan oder Butan oder geeignete Mischgase, wie beispielsweise R134a, R407c oder dergleichen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß die Überführung des Kältemittels in die dampfförmige Phase in einem Abschnitt des Kältemittelkreislaufs erfolgt, der im Bereich einer die Heizenergiequelle umgebenden Kammerwandung angeordnet ist. Insbesondere umgibt die Kammerwandung die Flamme eines die Heizenergiequelle bildenden Brenners für festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoff, wodurch die von dem Brenner freigesetzte thermische Energie wirkungsvoll an das in dem Kältemittelkreislauf zirkulierende Kältemittel übertragen wird.
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Eine weitere zweckmäßige Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß die Überführung der verdichteten dampfförmigen Phase in die flüssige Phase in einem Abschnitt des Kältemittelkreislaufs erfolgt, der einen Wärmetauscher mit einem in dem Kältemittelkreislauf liegenden ersten Kreislaufabschnitt und einen damit in Wärmekontakt stehenden, von einem Wärmeträgermedium durchströmten zweiten Kreislaufabschnitt aufweist. Hierbei strömt die auf der hohen Temperatur liegende dampfförmige Phase durch den ersten Kreislaufabschnitt und gibt Wärmeenergie an den von dem Wärmeträgermedium durchströmten zweiten Kreislaufabschnitt ab, wobei die Temperatur des Wärmeträgermediums im Betriebstemperaturbereich des Wärmeverbrauchers liegt. Beispielsweise ist das Wärmeträgermedium Wasser und entspricht dann in seiner Funktion dem Heizwasser üblicher Heizkessel.
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In vorrichtungsmäßiger Hinsicht wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Übertragung von Wärmeenergie an einen Wärmeverbraucher einer Heizungsanlage aus einer eine über einem Betriebstemperaturbereich des Wärmeverbrauchers liegende Temperatur aufweisenden Heizenergiequelle gelöst, die gekennzeichnet ist durch einen Kältemittelkreislauf mit einem ersten Abschnitt, in dem eine eine unter dem Betriebstemperaturbereich des Wärmeverbrauchers liegende niedrige Temperatur aufweisende flüssige Phase eines Kältemittels durch Wärmeaufnahme aus der Heizenergiequelle in eine dampfförmige Phase überführbar ist, einem auf den ersten Abschnitt folgenden zweiten Abschnitt, in dem die dampfförmige Phase unter Temperaturerhöhung auf eine über dem Betriebstemperaturbereich des Wärmeverbrauchers liegende hohe Temperatur verdichtbar ist, einem auf den zweiten Abschnitt folgenden dritten Abschnitt, in dem die verdichtete dampfförmige Phase durch Wärmeabgabe an den Wärmeverbraucher in die flüssige Phase überführbar ist, und einem auf den dritten Abschnitt folgenden und zum ersten Abschnitt führenden vierten Abschnitt, in dem die flüssige Phase unter Temperaturerniedrigung auf die niedrige Temperatur entspannbar ist.
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Insbesondere kann diese Gestaltung mit Hilfe einer Vorrichtung verwirklicht werden, die Gegenstand der am selben Tag wie die vorliegende Patentanmeldung eingereichten deutschen Patentanmeldung mit der Bezeichnung ”Vorrichtung zur Übertragung von Wärmeenergie an ein Wärmeträgermedium einer Heizungsanlage” derselben Anmelderin ist. Diese letztgenannte Patentanmeldung wird mit ihrem Gesamtinhalt in die vorliegende Anmeldung einbezogen.
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In der folgenden Beschreibung wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielhaft erläutert. Hierin zeigen:
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1 ein prinzipielles Schema des Ablaufs eines Verfahrens zur Übertragung von Wärmeenergie von einer Heizenergiequelle an einen Wärmeverbraucher einer Heizungsanlage, und
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2 ein Ausführungsbeispiel eines zur Durchführung des Verfahrens verwendbaren Vorrichtungsteils.
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Gemäß 1 zirkuliert ein Kältemittel, beispielsweise Propan oder Butan, in einem Kältemittelkreislauf 100, der vier hintereinandergeschaltete Abschnitte aufweist. In einem ersten Abschnitt 101 fließt ein Wärmestrom Q .0 von einer nicht dargestellten Heizenergiequelle, beispielsweise einem Heizungsbrenner, zu einem in dem ersten Abschnitt 101 vorgesehenen Verdampfer 102, an dessen Eintrittsseite 103 eine flüssige Phase des Kältemittels einströmt und in dem Verdampfer 102 durch Wärmeaufnahme aus dem Wärmestrom Q .0 in eine dampfförmige Phase überführt wird, die auch überhitzt sein kann. Diese dampfförmige Phase strömt von der Austrittsseite 104 des Verdampfers 102 in den auf den ersten Abschnitt 101 folgenden zweiten Abschnitt 105, in dem ein Verdichter 106 vorgesehen ist, durch den die dampfförmige Phase im wesentlichen adiabatisch unter Temperaturerhöhung verdichtet wird. Die verdichtete dampfförmige Phase strömt von der Ausgangsseite 107 des Verdichters 106 in den dritten Abschnitt 108, in dem ein Kondensator 109 vorgesehen ist. Von dem Kondensator 109 fließt ein Wärmestrom Q . zu einem nicht dargestellten Wärmeverbraucher einer Heizungsanlage. Durch die Wärmeabgabe an den Wärmeverbraucher wird die in den Kondensator 109 eintretende verdichtete dampfförmige Phase des Kältemittels in dessen flüssige Phase überführt. Diese flüssige Phase strömt von der Austrittsseite 110 des Kondensators 109 in den vierten Abschnitt 111, in dem ein Expansionsventil 112 vorgesehen ist, mit dem die flüssige Phase im wesentlichen adiabatisch unter Temperaturerniedrigung entspannt und zur Eintrittsseite 103 des Verdampfers 102 zurückgeführt wird.
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Insbesondere ist die Temperatur der Heizenergiequelle sehr viel höher als die niedrige Temperatur der in den Verdampfer 102 eintretenden flüssigen Phase des Kältemittels. Deshalb besteht ein großes, den Wärmestrom Q .0 antreibendes Temperaturgefälle. Andererseits ist auch die hohe Temperatur der in den Kondensator 109 eintretenden verdichteten dampfförmigen Phase des Kältemittels insbesondere erheblich höher als die Temperatur des mit dem Kondensator 109 in Wärmeaustausch stehenden Wärmeverbrauchers, so daß auch der Wärmestrom Q ., der die Wärmeabgabe an den Wärmeverbraucher bewirkt, von einem verhältnismäßig hohen Temperaturgefälle angetrieben wird.
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Wenn die Heizenergiequelle ein Heizungsbrenner für gasförmigen, flüssigen oder festen Brennstoff ist, liegt ihre Temperatur über 1000°C und insbesondere im Bereich von 1400°C. Das Verfahren kann derart ausgeführt werden, daß die niedrige Temperatur der dem Verdampfer 102 zugeführten flüssigen Phase des Kältemittels unterhalb von 0°C liegt, insbesondere im Bereich von –10°C bis –25°C. Ferner kann die Temperatur der aus dem Verdampfer 102 ausströmenden dampfförmigen Phase im Bereich von 45°C bis 80°C liegen.
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Ein Beispiel für eine vorrichtungsmäßige Gestaltung des den Verdampfer 102 aufweisenden ersten Abschnitts des Kältemittelkreislaufs 100 ist in 2 dargestellt. Dieses Vorrichtungsteil weist einen eine Längsachse 1 aufweisenden Hohlkörper 2 auf, der in 2 in einem durch die Längsachse 1 gelegten Längsschnitt dargestellt ist. Im Inneren dieses Hohlkörpers 2 ist eine Brennkammer 3 quer zu der Längsachse 1 durch einen ersten Wandabschnitt 4 des Hohlkörpers 2 begrenzt, wobei in dem dargestellten Ausführungsbeispiel der erste Wandabschnitt 4 die Grundform eines Zylindermantels aufweist, dessen Zylinderachse mit der Längsachse 1 des Hohlkörpers 2 zusammenfällt.
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Von einem in 2 unten liegenden ersten axialen Endbereich 5 des ersten Wandabschnitts 4 aus erstreckt sich ein zweiter Wandabschnitt 6 des Hohlkörpers 2 quer zu dessen Längsachse 1 und bildet dadurch einen deckelförmigen unteren Abschluß des Hohlkörpers 2. Auf ähnliche Weise erstreckt sich von einem in der Zeichnungsfigur oben liegenden, dem ersten axialen Endbereich 5 entgegengesetzten zweiten axialen Endbereich 7 aus ein dritter Wandabschnitt 8 quer zur Längsachse 1 des Hohlkörpers 2, der einen den Hohlkörper 2 oben abschließenden Deckel bildet. Der erste, zweite und dritte Wandabschnitt 4, 5 bzw. 6 sind miteinander einstückig ausgebildet.
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An dem ersten Wandabschnitt 4 ist radial innen eine Rohrschlange einstückig mit dem ersten Wandabschnitt 4 ausgebildet, wobei in dem dargestellten Ausführungsbeispiel diese Rohrschlange 9 in der Form einer Schraubenwendel ausgebildet ist, deren Schraubenachse mit der Längsachse 1 des Hohlkörpers 2 zusammenfällt. Das dem zweiten Wandabschnitt 6 benachbarte Ende 10 der Rohrschlange 9 weist einen damit einstückig ausgebildeten Fortsetzungsabschnitt 11 auf, der sich in axialer Richtung durch den zweiten Wandabschnitt 6 hindurch erstreckt und die Eintrittsseite 103 des Verdampfers 102 in 1 bildet. Auf ähnliche Weise ist das dem dritten Wandabschnitt 8 benachbarte axiale Ende 12 der Rohrschlange 9 mit einem damit einstückig ausgebildeten Fortsetzungsabschnitt 13 versehen, der sich in axialer Richtung durch den dritten Wandabschnitt 8 hindurch erstreckt und die Austrittsseite des Verdampfers 104 bildet.
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In dem ersten Wandabschnitt 4 ist in einem kleinen radialen Abstand zur Rohrschlange 9 ein erster Abschnitt 14 eines Strömungswegs für das in der Brennkammer 3 entstehende Abgas ausgebildet, der sich bei der in 2 dargestellten Ausführungsform über die gesamte axiale Länge des ersten Wandabschnitts 4 erstreckt und in seinem zur Längsachse 1 orthogonalen Radialschnitt ringförmig ist. Dieser erste Abschnitt 14 geht an seinem in 2 unteren ersten axialen Endbereich 15 fließend in einen zweiten Abschnitt 16 über, der sich zwischen der Innenseite 6' des zweiten Wandabschnitts 6 und dem axialen Ende 3' der Brennkammer 3 erstreckt und zu der Brennkammer 3 hin offen ist.
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Auf ähnliche Weise geht der erste Abschnitt 14 des Strömungswegs für das Abgas in seinem in 2 oberen axialen Endbereich 17 fließend in einen dritten Abschnitt 18 über, der in dem dritten Wandabschnitt 8 ausgebildet ist. Der dritte Abschnitt 18 ist zum oberen axialen Ende 3'' der Brennkammer 3 hin geschlossen und ist an einem an dem dritten Wandabschnitt 8 ausgebildeten äußeren Anschluß 19 nach außen geführt.
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In dem dritten Wandabschnitt 8 ist eine zur Längsachse 1 koaxiale Anschlußöffnung 20 für einen Brenner 21 ausgebildet. Der dem dritten Wandabschnitt 8 entgegengesetzte zweite Wandabschnitt 6 weist eine in der dargestellten Ausführungsform zentrale Abzugsöffnung 22 für Abgaskondensat auf, die in einen äußeren Anschluß 23 mündet. Von der Innenseite 6' des zweiten Wandabschnitts 6 aus erhebt sich eine zur Brennkammer 3 hin gewölbte kuppelförmige Gitterstruktur 27, die die Abzugsöffnung 22 radialsymmetrisch übergreift. Durch diese Gitterstruktur kann die Flamme des Brenners 21 nicht hindurchgreifen. Außerdem kühlt die Gitterstruktur die Flamme durch Wärmeableitung und verhindert dadurch die Bildung von Stickoxiden bei der Verbrennung.
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Durch diese Anordnung erstreckt sich also die Flamme des Brenners 21 in der Brennkammer 3 längs der Längsachse 1. Das in der Brennkammer entstehende Abgas gelangt von dem unteren axialen Ende 3' der Brennkammer 3 in den zweiten Abschnitt 16 des Strömungswegs für den Abzug des Abgases und strömt weiter durch den ersten Abschnitt 14 in den dritten Abschnitt 18, von wo aus es an dem äußeren Anschluß 19 abgeführt wird. Der erste Abschnitt 14 des Strömungswegs für das Abgas weist eine in seinen Querschnitt hineinragende wärmeleitende Struktur auf. Diese besteht in der dargestellten Ausführungsform aus Rippen 24, die der in 2 nach oben gerichteten Strömungsrichtung des Abgases folgend nach oben geneigt sind.
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Radial außerhalb des ersten Abschnitts 14 des Strömungswegs für das Abgas ist in dem ersten Wandabschnitt 4 ein weiterer Strömungsweg 25 für ein weiteres Wärmeträgermedium einstückig mit dem Hohlkörper 2 ausgebildet. Dieser weitere Strömungsweg ist beispielsweise in der Form eines Mäanders aus axial verlaufenden Kanälen 26 angelegt, deren benachbarte axiale Enden, mit Ausnahme des Anfangs und des Endes des Mäanders, jeweils paarweise durch quer zur Längsachse verlaufende Abschnitte, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind, miteinander verbunden sind. Er stellt einen Abschnitt eines außerhalb des Hohlkörpers 2 geschlossenen Kreislaufs dar, in dem das darin zirkulierende Wärmeträgermedium dem Abgas innerhalb des Hohlkörpers 2 Wärme entzieht und außerhalb des Hohlkörpers 2 an den Wärmeverbraucher, beispielsweise an den Rücklauf einer Warmwasserleitung, abgibt.
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Für den außerhalb des in 2 dargestellten Vorrichtungsteils verlaufenden zweiten Abschnitt 105, dritten Abschnitt 108 und vierten Abschnitt 111 des Kältemittelkreislaufs können dem Fachmann allgemein bekannte Mittel eingesetzt werden. Insbesondere kann der Kondensator 109 des dritten Abschnitts 108 als wärmeabgebender Strömungsweg eines Wärmetauschers ausgebildet sein, dessen wärmeaufnehmender Strömungsweg von einem Wärmeträgermedium durchströmt ist, welches den Wärmetransport zum Wärmeverbraucher der Heizungsanlage bewirkt. Insbesondere kann es sich bei diesem Wärmeträgermedium um Wasser handeln.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Längsachse
- 2
- Hohlkörper
- 3
- Brennkammer
- 3', 3''
- axiales Ende
- 4
- erster Wandabschnitt
- 5
- erster axialer Endbereich
- 6
- zweiter Wandabschnitt
- 6'
- axiales Ende
- 7
- zweiter axialer Endbereich
- 8
- dritter Wandabschnitt
- 9
- Rohrschlange
- 10
- Ende der Rohrschlange
- 11
- Fortsetzungsabschnitt
- 12
- Ende der Rohrschlange
- 13
- Fortsetzungsabschnitt
- 14
- erster Abschnitt eines Strömungswegs für das Abgas
- 15
- unterer axialer Endbereich
- 16
- zweiter Abschnitt
- 17
- oberer axialer Endbereich
- 18
- dritter Abschnitt
- 19
- äußerer Anschluß
- 20
- Anschlußöffnung
- 21
- Brenner
- 22
- Abzugsöffnung
- 23
- äußerer Anschluß
- 24
- Rippen
- 25
- weiterer Strömungsweg
- 26
- axialer Kanal
- 27
- Gitterstruktur
- 100
- Kältemittelkreislauf
- 101
- erster Abschnitt
- 102
- Verdampfer
- 103
- Eintrittsseite
- 104
- Austrittsseite
- 105
- zweiter Abschnitt
- 106
- Verdichter
- 107
- Ausgangsseite
- 108
- dritter Abschnitt
- 109
- Kondensator
- 110
- Austrittsseite
- 111
- vierter Abschnitt
- 112
- Expansionsventil