DE19540017A1 - Wärmepumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.

Es ist bei Wärmepumpen ganz allgemein bekannt, in einen Kältemittelkreislauf einen Kompressor, einen ersten Wärmetauscher als wärmeabgebenden Kondensator, eine Expansionseinrichtung und einen zweiten Wärmetauscher als wärmeaufnehmenden Wärmetauscher einzuschalten. Ein Aufbau dieser Art erfordert jedoch die Anwendung spezieller Kältemittel, um die für Klimatisierungszwecke und Kühlvorgänge in Haushaltskühlgeräten erforderlichen Temperaturdifferenzen in Höhe von etwa 40°K zu erreichen. Solche Kältemittel basieren auf Fluorverbindungen, die beim Entweichen in die freie Atmosphäre ozonschädlich sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmepumpenprozeß bereitzustellen, der kohlendioxidneutral und ozonunschädlich ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs.

Bei einem Aufbau einer Wärmepumpe gemäß der Erfindung, die insbesondere als gasdynamische Wärme- und Kältekraftmaschine für die Klimatechnik ausgebildet ist, kann für den Arbeitsprozeß ein Inertgas wie Helium, Luft, Stickstoff und dergleichen zur Anwendung gelangen. Um­ weltschädliche Verbindungen sind demnach nicht erforderlich. Dafür werden zwei im Arbeitsvolumen gleiche gasgefüllte volumenveränderbare Räume vorgesehen, die mittels einer Drosselleitung thermisch voneinander entkoppelt sind. Die Kompression der beiden Räume erfolgt in gleichen Zyklen, jedoch mit einer Phasendifferenz.

Der in der Phasenlage nacheilende Raum wird nachfolgend als Kompressionsraum bezeichnet, der in der Phasenlage voreilende Raum als Expansionsraum. Durch die unterschiedliche Phasenlage ist die zeitliche Volumenänderung in der Kompressionsphase im Kompressionsraum größer als im Expansionsraum. Deswegen wird die Kompressionsarbeit im wesentlichen im Kompressionsraum geleistet, was zu einer stärkeren Erwärmung des Arbeitsmediums im Kompressionsraum als im Expansionsraum führt. Analog dazu ist die Volumenänderung in der Expansionsphase im Expansionsraum schneller als im Kompressionsraum. Die Drosselleitung dient dazu, einen Temperaturgradienten zwischen dem höheren Temperaturniveau des Kompressionsraums und dem tiefer liegenden Temperaturniveau des Expansionsraums aufzubauen und gleichzeitig einen Druckausgleich zwischen Kompressionsraum und Expansionsraum herzustellen, ähnlich dem Regenerator eines Stirling-Kühlers oder dem Pulse-Rohr eines Pulse- Rohr-Kühlers. Dieser Temperaturgradient kann jedoch nur dann aufgebaut werden, wenn die einzelnen Teilvolumina von Kompressionsraum, Expansionsraum, Drosselleitung und ggf. der Wärmetauscher richtig ausgelegt wurden. Bei geeigneter Wahl der einzelnen Teilvolumina strömt das Arbeitsmedium, das periodisch aus dem Kompressionsraum oder dem Expansionsraum ausgestoßen wird, nur maximal bis in die Mitte der Drosselleitung. Danach kehrt die Strömungsrichtung um und das ausgestoßene Arbeitsmedium wird wieder in den jeweiligen Raum eingesaugt. Derjenige Gasanteil in der Drosselleitung, dem der Temperaturgradient aufgeprägt ist, schwingt dabei idealerweise periodisch in der Drosselleitung hin und her.

Vorzugsweise kommen Hubkolben-, Drehkolben- oder Kreiskolbenverdichter zur Anwendung, wobei jedenfalls die Hubräume von zwei derartigen Verdichtern über eine Drosselleitung miteinander verbunden sind. Der Antrieb dieser Verdichter erfolgt synchron und insbesondere in starrer Kopplung. Dabei ist der Kompressionsraum mit einem Warmraum gekoppelt, der Wärme aufnimmt, während der Expansionsraum mit einem Kaltraum gekoppelt ist, welcher Wärme abgibt. Für einen optimalen Betrieb ist dabei eine Phasendifferenz zwischen etwa 30 und 75 Winkelgraden zweckmäßig, wobei die Phasendifferenz mit zunehmender Temperaturdifferenz zwischen Warm- und Kaltseite zu klei­ neren Werten hin verstellt werden kann.

Eine Verbesserung der Leistungsziffer dieser Wärmepumpe läßt sich dadurch erreichen, daß der Warmseite und/oder der Kaltseite ein zusätzlicher Wärmetauscher zugeordnet wird, um während des Arbeitsprozesses den Wärmeübergang zwischen dem gasförmigen Arbeitsmittel und dem Warmraum oder Kaltraum zu verbessern.

Vorzugsweise werden die Wärmetauscher in die Drosselleitung gelegt, wodurch sie unmittelbar von dem zwischen den beiden Räumen hin und her strömenden Arbeitsmittel beaufschlagt werden. Sie können jedoch auch über eigene Rohrstutzen mit dem Kompressionsraum oder auch mit dem Expansionsraum verbunden sein.

Eine Verbesserung der Leistungsziffer dieser Wärmepumpe läßt sich auch dadurch erreichen, daß in die Drosselleitung eine steuerbare Absperranordnung geschaltet wird. Diese Absperranordnung kann ein Absperrventil sein, das während des Arbeitsprozesses in vorbestimmter Weise geöffnet und geschlossen wird. Es kann jedoch auch als ein in die Drosselleitung eingesetzter freischwingender Kolben ausgebildet sein, der die Warmseite von der Kaltseite gastechnisch abtrennt.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Prinzipskizzen und Ausführungsbeispielen und von Betriebsdiagrammen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Wärmepumpe mit zwei phasenverschoben im Gleichlauf betriebenen volumenveränderbaren Räumen, die durch eine Drosselleitung miteinander verbunden sind;

Fig. 2 eine Anordnung gem. Fig. 1 mit einem in die Drosselleitung eingelegten Drosselelement;

Fig. 3a-g die Anordnung nach Fig. 2 in unterschiedlichen Betriebsphasen;

Fig. 4 die Anordnung gem. Fig. 2 mit abgeändertem Drosselelement;

Fig. 5 eine Anordnung gem. Fig. 1 mit verändert angekoppelten Wärmetauschern;

Fig. 6a-e normierte Kurvenverläufe von Betriebsdaten für die beiden volumenveränderbaren Räume und

Fig. 7a-c normierte Kurvenverläufe zur Kälteleistung und Leistungsziffer der erfindungsgemäßen Wärmepumpe.

Eine Wärmepumpe weist in ihrer einfachsten Form zwei gasgefüllte volumenveränderbare Räume 1 bzw. 2 auf, die über eine Drosselleitung 3 miteinander verbunden sind. Die Drosselleitung 3 dient dazu, einen Temperaturgradienten zwischen dem höheren Temperaturniveau des Kompressionsraums 1 und dem tiefer liegenden Temperaturniveau des Expanionsraums 2 aufzubauen und gleichzeitig einen Druckausgleich zwischen Kompressionsraum und Expansionsraum herzustellen. Die Einrichtungen zur Kompression und Dekompression sind dabei so gekoppelt, daß die Volumenänderung im Raum 1 mit einer Phasendifferenz gegenüber dem Raum 2 abläuft. Dadurch wird die Kompressionsarbeit im wesentlichen im Kompressionsraum 1 geleistet, was zu einer stärkeren Erwärmung des Arbeitsmediums im Kompressionsraum 1 als Expansionsraum 2 führt. Analog dazu ist die Volumenveränderung in der Expansionsphase im Expansionsraum 2 schneller als im Kompressionsraum 1, wodurch das Arbeitsmedium im Expansionsraum 2 stärker abgekühlt wird als im Kompressionsraum 1. Ein einfach zu realisierender Aufbau ergibt sich bei Anwendung von Hubkolben-, Drehkolben- oder Kreiskolbenverdichtern, deren Antriebswellen mit gleicher Drehzahl angetrieben werden, deren Kolben 5 bzw. 6 jedoch um die erwähnte Phasendifferenz 4 drehwinkelversetzt beispielsweise den oberen Totpunkt erreichen.

Im Betrieb erfährt der erste volumenveränderbare Raum, der als Kompressionsraum 1 bezeichnet ist, eine Vo­ lumenänderung, die der Volumenänderung im zweiten volumenveränderbaren Raum, der als Expansionsraum 2 bezeichnet ist, um die Phasendifferenz 4 nacheilt. Die den Kompressionsraum 1 aufweisende Verdichtereinheit ist mit einem bei 7 angedeuteten zu erwärmenden Warmraum 7 thermisch gekoppelt, während die den Expansionsraum 2 aufweisende Verdichtereinheit mit einem Kaltraum 8 thermisch gekoppelt ist, dem Wärme entzogen wird. Der erzielbare Temperaturgradient wird dann optimal aufgebaut, wenn die einzelnen Teilvolumina von Kompressionsraum 1, Expansionsraum 2 Drosselleitung 3 und ggf. Wärmetauscher 9,10 in der Weise ausgelegt werden, daß das Arbeitsmedium das periodisch aus dem Kompressionsraum 1 oder dem Expansionsraum aus gestoßen wird, nur maximal bis in die Mitte der Drosselleitung 3 strömt. Danach kehrt die Strömungsrichtung im und das ausgestoßene Arbeitsmesium wird wieder in den jeweiligen Raum eingesaugt. Derjenige Gasteil in der Drosselleitung 3, dem der Temperaturgradient aufgeprägt ist, schwingt dabei idealerweise periodisch in der Drosselleitung 3 hin und her. Das sich aus der Phasendifferenz ergebende schwingende Differenzvolumen entspricht somit vorzugsweise etwa dem halben Volumen der Drosselleitung 3.

Zur verbesserten Wärmeübertragung und damit zur Steigerung der Leistungsziffer der so als gasdynamische Wärme- und Kältekraftmaschine aufgebauten Wärmepumpe sind nach ein Warmwärmetauscher 9 der Warmseite 1, 7 und ein Kaltwärmetauscher 10 der Kaltseite 2, 8 zugeordnet, die beide gem. Fig. 1 unmittelbar in Serienschaltung in die Drosselleitung 3 eingefügt bzw. daran thermisch angekoppelt sind.

Im Betrieb werden die Verdichtereinheiten 1, 5 bzw. 2, 6 vorzugsweise von einem gemeinsamen Motor mit gleicher Drehzahl aber mit der oben erläuterten Phasendifferenz angetrieben, die vorzugsweise etwa zwischen 30 und 75 Winkelgrade beträgt und dabei zweckmäßigerweise so ge­ steuert wird, daß mit zunehmender Temperaturdifferenz zwischen Warm- und Kaltraum 7, 8 die Phasendifferenz zu kleineren Werten hin verstellt wird.

In Fig. 6a ist zu diesem Arbeitsprozeß über dem Drehwinkel das normierte Volumen des Kompressionsraums 1 in der mit Komp. bezeichneten Sinuskurve und für den Expansionsraum 2 in der mit Exp. bezeichneten Sinuskurve dargestellt. Das zeigt sich, daß die Verdichtungsphase im Kompressionsraum 1 um die Phasendifferenz der Verdichtungsphase im Expansionsraum 2 nacheilt. Da die beiden Räume 1, 2 über die Drosselleitung 3 thermisch voneinander entkoppelt, jedoch gastechnisch miteinander verbunden sind, stellt sich gemäß Fig. 6b ein mittelbarer Gesamtdruck ein, wie ihn die normierte Kurve zeigt.

Die zugehörigen Temperaturen, aufbezeichnet wieder über dem Drehwinkel zeigt Fig. 6c, woraus sich ergibt, daß die Temperatur aufgrund der höheren Verdichtung vom Kompressionsraum 1 gem. der Kurve Komp. beachtlich über der Temperaturkurve Exp. für den Expansionsraum 2 verläuft.

Die daraus folgende normierte Wärmeabgabe, aufgezeichnet wieder über dem Drehwinkel, zeigt Fig. 6d für den Warmwärmetauscher 9 in der entsprechend bezeichneten oberen Kurve und für den Kaltwärmetauscher 10 in der entsprechend bezeichneten unteren Kurve. Hieraus zeigt sich, daß der Warmwärmetauscher 9 im Bereich positiver Wärmeabgabe und der Kaltwärmetauscher 10 im Bereich negativer Wärmeabgabe arbeitet. Der Warmraum 7 erfährt also eine Beheizung und der Kaltraum 8 eine Abkühlung.

Wird der normierte Druck über dem normierten Volumen gem. Fig. 6e dargestellt, dann zeigt sich der unterschiedliche Druckverlauf für den Kompressionsraum Komp. gegenüber dem Expansionsraum Exp. in den entsprechenden Kurvenverläufen. Dabei zeigt sich, daß der Kurvenverlauf Exp. unterhalb dem Kurvenverlauf Komp. verläuft und die zwischen diesen beiden Kurven liegende Fläche ein Maß für die gepumpte Wärmeleistung darstellt.

Aus Fig. 7a bis 7g ist die normierte Kälteleistung und die normierte Leistungsziffer in entsprechenden Kurven über der Temperaturdifferenz aufgetragen, welche zwischen dem Warmraum 7 und dem Kaltraum 8 herrschen kann. Hieraus zeigt sich, daß sowohl die Leistungsziffer der Wärmepumpe als auch die Kälteleistung für Temperaturdifferenzen bis etwa 30°K im nutzbringenden Bereich liegt.

Dabei ist in Fig. 7b die normierte Kälteleistung über dem Phasenwinkel aufgetragen, um den die Verdichtungsphasen in den Räumen 1 und 2 versetzt ablaufen.

Aus den dargestellten Kurven, für welche die Temperaturdifferenz als Parameter herangezogen ist, zeigt sich, daß sich das Maximum der Kälteleistung abhängig von der Temperaturdifferenz der Räume 1 und 2 mit steigender Temperaturdifferenz von höheren Phasenwinkeln zu niedrige­ ren verändert. Daher ist es zweckmäßig, abhängig von der angestrebten Temperaturdifferenz Mittel vorzusehen, welche eine Veränderung des Phasenwinkels ermöglichen. Das Maximum der Kälteleistung wird demnach bei einer Temperaturdifferenz von 30°K bei etwa 45 Winkelgraden und bei 0°K bei etwa 75 Winkelgraden der Phasendifferenz erreicht.

Die normierte Leistungsziffer über dem Phasenwinkel ist dazu in Fig. 7c dargestellt, aus welcher sich zeigt, daß bei den Kurven mit der Differenztemperatur als Parameter ein Maximum der Leistungsziffer unabhängig von der Differenztemperatur bei etwa 40 bis 60 Winkelgraden Phasenverschiebung erreicht wird.

Zur Steigerung der Effizienz ist es zweckmäßig, in die Drosselleitung 3 ein Drosselorgan 11 einzuschalten, das die einzelnen Phasen des Arbeitsprozesses unterstützt. Hierzu ist gem. Fig. 2 in die Drosselleitung 3 als Drosselelement ein Absperrventil 11.1 gelegt, das gem. den Fig. 3a bis 3g im Arbeitszyklus zu steuern ist.

Gemäß Fig. 3a befindet sich das Absperrventil 11.1 in geschlossener Stellung, wenn der Kolben 5 des Kompressionsraums 1 in der Verdichtungsphase läuft.

Gemäß Fig. 3b bleibt dieses Absperrventil geschlossen, bis zumindest annähernd der maximale Kompressionsdruck erreicht ist. Danach wird gem. Fig. 3c das Absperrventil 11.1 geöffnet, so daß ein Druckausgleich zum Expansionsraum 2 hin eintreten kann.

Anschließend wird das Absperrventil 11.1 wieder geschlossen, wie es Fig. 3d zeigt.

Danach wird gem. Fig. 3e eine Dekompression des Expansionsraums 2 durchgeführt, wodurch sich das Arbeitsmittel abkühlt und Wärme aus dem Kaltraum 8 aufnimmt. Die beim Kompressionsvorgang im Kompressionsraum 1 vorher entstandene Wärme wurde durch die Wärmekopplung dem Warmraum 7 zugeführt.

In einem weiteren Schritt wird anschließend das Absperrventil 11.1 erneut geöffnet, so daß der im Kompressionsraum 1 noch vorhandene komprimierte Rest des Arbeitsmittels unter Expansion und damit Abkühlung in den Expansionsraum 2 abströmen kann, der dadurch weiter Wärme­ energie aufnehmen kann.

Im abschließenden Verdichtungshub des Kolbens 6 im laufenden Arbeitszyklus wird das Arbeitsmittel wieder bei noch offenem Absperrentil 11.1 in den Expansionsraum 1 gefördert, wobei für diesen Teil des Arbeitszyklus nur ein geringer Gegendruck im Kompressionsraum 1 vorhanden ist, weil der zugehörige Kolben 5 sich in der Dekompressionsphase befindet. Anders als der Kompressionsvorgang im Kompressionsraum 1 läuft der Verdichtungshub im Expansionsraum 2 auf einem wesentlich geringerem Druckniveau ab, so daß zusätzlich zu der aus dem Kaltraum 8 aufgenommenen Wärmeenergie im Vergleich zum Kompressionsvorgang im Kompressionsraum 1 eine wesentlich geringere zusätzliche Erwärmung des Arbeitsmittels stattfindet. Es ist somit ein tatsächlicher Wärmetransport vom Kaltraum 8 zum Warmraum 7 erzielt.

Um gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 1 eine exakte thermisch Trennung der Gasvolumen in den Räumen 1 und 2 zu erzielen, kann in die Drosselleitung 3 ein freischwingender Kolben 11.2 eingesetzt werden.

In Fig. 5 ist bei einem Aufbau gem. Fig. 1 eine Trennung zwischen Drosselleitung 3 und den Wärmetauscher 9, 10 vorgesehen. Hierzu sind an die Räume 1 und 2 gesonderte Rohrstutzen 12 angeschlossen, an welchen einerseits der Warmwärmetauscher 9 und andererseits der Kaltwärmetauscher 10 sitzen. Hier tritt zwar keine unmittelbare Durchströmung der Wärmetauscher 9, 10 durch das Arbeitsmittel beim Übergang von einem Raum zum anderen ein, es wird aber das darin befindliche Arbeitsmittel komprimiert und damit erwärmt bzw. expandiert und damit gekühlt, so daß der gewünschte Wärmeübergang an den Wärmetauscher 9, 10 ein­ tritt. Die Rohrstutzen 12 sind an ihren den Räumen 1 und 2 abgewandten Enden geschlossen.

Bei einer Ausgestaltung einer gasdynamischen Wärme- und Kältekraftmaschine gem. der Erfindung sind keine zusätzlichen Hilfsmittel wie thermische Regeneratoren oder dergleichen erforderlich, welche die internen Maschinenverluste erhöhen.

Zudem kann als Arbeitsmittel ein umweltunschädliches Gas zur Anwendung gelangen, so daß im Falle eines Lecks, von Reparaturen oder bei der Entsorgung keine schädlichen Stoffe zu beseitigen sind. Die Eigenschaften der Wärmepumpe werden vielmehr allein durch zwei gleichartige Verdichtereinheiten erreicht, die mit Phasenverschiebung betrieben werden und bei der durch Änderung der Richtung der Phasenverschiebung eine Umkehrung des Wärmepumpenprozesses möglich ist. Es kann also durch Ändern der Drehrichtung bei kompressorbetriebenen Einrichtungen wechselweise der eine Raum einmal geheizt und einmal gekühlt werden.

Claims (13)

1. Wärmepumpe, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei gasgefüllte volumenveränderbare Räume (1, 2) vorgesehen sind, daß die Räume (1, 2) thermisch voneinander entkoppelt sowie über eine Drosselleitung (3) miteinander verbunden sind und daß die Volumenänderung mit einer Phasendifferenz (4) abläuft.

2. Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster volumenveränderbarer Raum ein Kompressionsraum (1) ist, der mit einem Warmraum (7) gekoppelt ist, und ein zweiter volumenveränderbarer Raum ein Expansionsraum (2) ist, der mit einem Kaltraum (8) gekoppelt ist, und daß die Volumenänderung im Kompressionsraum (1) der Volumenänderung im Expansionsraum (2) um die Phasendifferenz (4) nacheilt.

3. Wärmepumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasendifferenz (4) etwa zwischen 30 und 75 Winkelgrade beträgt.

4. Wärmepumpe nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasendifferenz (4) mit zunehmender Temperaturdifferenz zwischen Warm- und Kaltraum (7, 8) zu kleineren Werten hin verstellt wird.

5. Wärmepumpe nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Warmseite (1, 7) und/oder der Kaltseite (2, 8) ein zusätzlicher Wärmetauscher (9, 10) zugeordnet ist.

6. Wärmepumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (9, 10) in die Drosselleitung (3) gelegt ist.

7. Wärmepumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmetauscher (8, 9) über einen Rohrstutzen (12) mit dem Kompressionsraum (1) bzw. dem Expansionsraum (2) verbunden ist.

8. Wärmepumpe nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß in die Drosselleitung (3) eine steuerbare Drosselanordnung (11) geschaltet ist.

9. Wärmepumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselanordnung ein Absperrventil (11.1) ist, das während des Kompressionsvorgangs im Kompressionsraum (1) bis höchstens kurz vor den maximalen Kompressionszeitpunkt geschlossen, danach vorübergehend höchstens bis in den Anfangsbereich des anschließenden Dekompressionsvorgangs geöffnet, nach­ folgend etwa im ersten Drittel des Dekompressionsvorgangs nochmals geschlossen und danach bis zum Beginn des Kompressionsvorgangs erneut geöffnet ist.

10. Wärmepumpe nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumina des Kompressionsraums (1), des Expansionsraums (2) der Drosselleitung (3) und der optionalen Wärmetauscher (9, 10) so ausgelegt sind, daß im wesentlichen die Kompressionswärme über den Kompressionsraum (1) abgeführt und die aufgrund der gasdynamischen Expansion aufgenommene Wärme über den Expansionsraum (2) zugeführt wird.

11. Wärmepumpe nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die volumenveränderbaren Räume (1, 2) im gegebenenfalls je einem Hubkolben- und/oder Drehkolben- und/oder Kreiskolbenverdichter ausgebildet sind.

12. Wärmepumpe nach Anspruch 8 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß in die Drosselleitung (3) ein freischwingender Kolben (11.2) eingesetzt ist, der die Warmseite von der Kaltseite gastechnisch abgrenzt.

13. Wärmepumpe nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der Drosselleitung (3) etwa das doppelte Betriebs- Differenzvolumen der Räume (1, 2) aufweist.