DE2360585A1

DE2360585A1 - Heat pump system for heating buildings - has hot air Carnot cycle engine driving reverse Carnot cycle pump

Info

Publication number: DE2360585A1
Application number: DE2360585A
Authority: DE
Inventors: Walter Leeder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-12-05
Filing date: 1973-12-05
Publication date: 1975-06-19

Abstract

Heat pump system for heating buildings and industrial appts. uses two cyclic processes. The first cycle is used in a hot air engine working on the Carnot cycle. The mechanical energy produced is used in the second cycle, running in the reversed direction and possibly also in a Carnot cycle, to bring heat taken from a heat reservoir at lower temperature up to a higher temperature level. Preferably both cycles occur in a common, pressure-tight vessel, and the driven side is separated from the driving side by a piston, a diaphragm, or a gas-permeable, sieve-like heat-impermeable unit similar to the conventional regenerator of a Stirling engine. Electrical energy, is not required.

Description

¥är/uapump.G einfachster und billigster Art zu Heizzwecken¥ är / uapump.G simplest and cheapest way for heating purposes

Die Erfindung bezieht sich auf eine Heizeinrichtimg für Gebäude und'.", industrielle -Apparaturen.---.^: Für dies, eh Zweck vis t die Anwendung von Wärmepumpen bekannt. Schwimmbäder werden z. B. seit vielen Jahren mit derartigen Wärmepumpen beheizt, die meist mit elektrischer Energie angetrieben werden. Steht als Quelle für die Zusatzwärme z·. B. das Wärmere servoir eines Flusses zur Verfügung, der ein entsprechendes Gefälle hat, so kann z. B. auch die Antriebskraft der "Wärmepumpe als Wasser- :· kraft aus dem Fluß entnommen "werden- (Hallenbad Zürich). Alle diese Aggregate haben jedoch große teure -mechanische Maschiiieneinrichtungen nötig und verlangen große Investitions- ■ - _ ■ und hohe Wartungskosten. Sie sind nur wirtschaftlich in Großanlagen. ■■ .The invention relates to a Heizeinrichtimg for buildings and '' industrial -Apparaturen ^.---.. For this, eh purpose vis the application of heat pumps known t pools are heated, for example, for many years with such heat pumps.. which are mostly driven by electrical energy. If the source of the additional heat is, for example, the warmer reservoir of a river, which has a corresponding gradient, then, for example, the driving force of the "heat pump as water: can be taken from the river by force "(Zurich indoor swimming pool). All these units, however, require large, expensive mechanical machinery and require large investment and high maintenance costs. They are only economical in large-scale systems.

Bei kleinen Anlagen nimmt man einen schlechten Wirkungsgrad '· und in diesem Falle die notwendige Anwendung teurer elektrischer Energie in Kauf, : "'-■ ■ Für Heizzwecke mittlerer Größen, z._ B. eines Einfamilienhauses, sind die bekannten Verfahrenunwirtschaftlich. .In the case of small systems, one accepts a poor degree of efficiency and in this case the necessary use of expensive electrical energy: "" - The known processes are uneconomical for medium-sized heating purposes, e.g. in a single-family house.

Die. Erfindung zeigt nun einen Weg, der mit geringstem technischen und kleinstem Wartungsaufwand·dieNachteile beider Verfahren beseitigt. Hiernach werden zwei Carnotsche Kreisprozesse gemäß der Erfindung in der Weise miteinander verbunden, daß die im ersten antreibenden Prozeß erzeugte mechanische Energie bei dem im umgekehrten Sinne ablaufenden zweiten ange-· triebenen Carnotschen Kreisprozeß dazu dient, eine aus einem Wärmereservolr niedrigen Temperaturniveaus entnommene Wärmsmenge auf ein höheres Temperaturniveau zu bringen.The. Invention now shows a way that with the least technical and minimal maintenance · the disadvantages of both Procedure eliminated. According to this, there are two Carnot cycles connected according to the invention in such a way that that the mechanical generated in the first driving process Energy in the case of the second approach, which takes place in the opposite sense Driven Carnot cycle serves to remove a heat quantity from a heat reservoir at a low temperature level to bring to a higher temperature level.

Die beiden Kreisprozesse laufen in einem geraeinsamen druckfesten Behälter ab, und die.-angetriebene .Seife .wird"-dabei durchThe two cycle processes run in a single pressure-resistant Container, and the. Powered. Soap. Will "run through

509825/085 3 _₂_509825/085 3 _ ₂ _

I-..'. BAD ORIGUMÄLI- .. '. BATH ORIGUMAL

einen Kolben, eine Membran oder eine gaydurchlässige, siebartige und wärmeundurchlässige Einrichtung von der angetriebenen Seite getrennt. Die beiden Arbeitsräume des antreibenden und des angetriebenen Prozesses können auch durch zwei unterschiedlich große und miteinander starr verbundene Kolben voneinander getrennt sein. Als Arbeitsnsedium. wird -zweckmäßig Wasserstoff, Helium, Argon oder ein in seinem Verhalten ähnliches Gas verwendet, das unter einem erhöhten .Druck gehalten wird.a piston, membrane, or a gay-permeable, sieve-like one and heat-impermeable means from the driven one Side separated. The two work rooms of the driving force and the driven process can also be through two pistons of different sizes and rigidly connected to one another can be separated from one another. As a working medium. becomes appropriate Hydrogen, helium, argon or a gas with a similar behavior is used, which is kept under an increased pressure will.

Die zur Erzielung der Carnotschen Kreisprozesse nötige Gaszirkulation kann durch Ventilatoren in Verbindung mit Steuerklappen oder Ventilen· erreicht -werden-. Es ist auch möglich, die erforderliche Gaszirkulation ohne Verwendung von Ventilatoren mit Hilfe des in einem Ksiain auftretenden Luftzuges zu erzielen.The gas circulation necessary to achieve the Carnot cycle can be achieved using fans in conjunction with control flaps or valves. It is also possible, the necessary gas circulation without the use of fans with the help of the draft occurring in a Ksiain achieve.

Fig. 1 zeigt, wie in bisher gebräuchlichen Heizanlagen mit Wärmepumpe in Wärmekraftwerken die zugeführte Wärmeenergie über den Dampfkessel und die Dampfturbine in mechanische Energie umgewandelt wird, die man dann zum Weitertransport in Elektrizität umwandelt. Am Heizort wird diese elektrische Energie mit einem Elektromotor wieder in mechanische Energie umgesetzt, welche die Wärmepumpe benötigt. Die Erfindung bedient sich als treibende Energieform ebenfalls einer Wärmequelle (z. B-. Öl, Erdgas oder auch feste Brennstoffe), aus deren Wärmeenergie über einen Carnotschen Prozeß so viel mechanische Energie wie möglich gewonnen wird, die zum Antrieb eines zweiten Carnotschen Kreisprozesses verwendet wird. Die nicht in mechanische .Energie umwandelbare Wärmemenge wird hundertprozentig verlustlos zum Heizen nutz-' bar gemacht, wie Fig. 2 zeigt. Die gewonnene mechanische Energie wird um den Wirkfaktor (bei Wärmepumpen übliche Kenngröße) vermehrt ebenfalls der Heizung zugeführt. Als unbegrenztes Wärmereservoir niedriger Temperaturen kann z. B. das Grund-Fig. 1 shows how the heat energy supplied in conventional heating systems with heat pumps in thermal power plants is converted into mechanical energy via the steam boiler and the steam turbine, which is then used for further transport converts to electricity. At the heating location, this electrical energy is converted back into mechanical energy with an electric motor implemented, which the heat pump needs. The invention also uses itself as a driving form of energy a heat source (e.g. oil, natural gas or solid Fuels) from whose thermal energy as much mechanical energy as possible is obtained via a Carnot process, which is used to drive a second Carnot cycle. The one that cannot be converted into mechanical energy The amount of heat is made usable for heating without any loss, as shown in FIG. 2. The mechanical energy gained is also fed to the heating system in an increased amount by the active factor (the parameter that is usual for heat pumps). As unlimited Low temperature heat reservoir can e.g. B. the basic

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BAD ORIGJNÄLBAD ORIGJNÄL

wasser rait einer Temperatur von ca. 9 C oder z. B. die Um- ^r gebungsluft verwendet 'werden* Au sführ-ungsb ei spiele für mögliche technische Lösungen zeigen Fig. 3 und Fig. 4.-Sie zeigen das Gerät in seinen beiden Betriebsphasen. water rait a temperature of approx. 9 C or z. As the environmental uses ^r bient 'be * Au sführ-ungsb ei games for possible technical solutions, Figs. 3 and Fig. 4-point the device in its two operating phases.

Konstruktive Ausfiihrmig (siehe Fig> 3)Constructive design (see Fig 3)

Ein gasdichter und druckfester Behälter 1 istz. B. durch eine als Rollmembran ausgebildete Trennmembran 2 in zwei Volumenteile getrennt. Der in Fig. 3, links der Rollmembran dargestellte Volumenteil stellt die mechanische Energie erzeugende Antriebsseite und der r"echte. Teil die angetriebene Seite oder Wärmepumpe dar. - ;.:.-" . /A gas-tight and pressure-tight container 1 is z. B. by a designed as a rolling membrane separating membrane 2 in two parts by volume separated. The one shown in Fig. 3, on the left of the rolling diaphragm Volume part represents the mechanical energy generating drive side and the real part represents the driven side or heat pump. -;.: .- ". /

Die in Fig. 3 und 4 angegebenen Temperaturen stellen einen bestimmten Betriebsfall dar. Sie können je nach Auslegung und Diraeiisionierung der Anlage abgewandelt werden.; In jedem dieser Volumenteile befinden sich je 2 Wärmetauscher 3* 4 und 5, Der Wärmetauscher 3 ist gebildet durch ein gut wärmeleitendes Metallteil, das mit seiner Mittelwand 26 den Behälter 1 dicht verschließt. Die durch die Feuerung auf der Außenseite zugeführte Wärme-kann durch Wärmeleitung iingehindert in den unter Druck stehenden Behälter 1 gelangen. Die 3Wärmetauscher 4, 5 und 6 können..z.. B. einem druckfesten Autokühler ähnlich aufgebaut sein. '"- .The temperatures given in Fig. 3 and 4 represent a specific operating case. They can be modified depending on the design and direction of the system. In each of these volume parts there are 2 heat exchangers 3 * 4 and 5. The heat exchanger 3 is formed by a highly thermally conductive metal part, which tightly closes the container 1 with its central wall 26. The heat supplied by the furnace on the outside can get into the pressurized container 1 in an obstructed manner by heat conduction. The 3 heat exchangers 4, 5 and 6 can be constructed, for example, similar to a pressure-resistant car cooler. '"- .

Um den Wärmeübergang durch die Tauscher zu bewirken,^r wird für eine kräftige Zirkulation durch die beiden Lüfter 7 und 8 gesorgt. Die jeweils gewünschte Zirkulationsrichtung wird durch die Klappen 9»-10,11 und 12 gesteuert. Die Pos. 13 und 14 sind R.egen.eratoren, wie" sie vom Stirlingmotor .bekannt sind. Es sind siebartige Gebilde, die in der Lage sind, aus einem __''■-heißen Gas die Wärme kurzzeitig zu entnehmen, zu speichern, um sie fast restlos beim Rückströmen des Gases wieder an dieses abzugeben, " "".-■ ;; ^ ."... ■""."". Die E'eueruii^r ist zweckmäßigerweise als· Regenerativfeuerung au η ge führt. Ura die Schornsteinverluste möglichst klein zu halten, ist ferner, ein Wärmetauscher» Pos. 15,. zweckmäßig.In order to effect the heat transfer through the exchanger, ^r is led to a strong circulation by the two fans 7 and 8. FIG. The direction of circulation required in each case is controlled by the flaps 9 »-10,11 and 12. Items 13 and 14 are regenerative generators, as they are known from the Stirling engine. They are sieve-like structures that are able to briefly extract and store heat from a __ '' ■ hot gas in order to release them almost completely when the gas flows back into the latter, """.-■;; ^ "... ■""."". The E'eueruii ^ r is expediently au · as regenerative firing. Η ge leads. Ura to keep the chimney losses as small as possible, is also a heat exchanger" Aff. 15 ,. appropriate.

509825/0853^; 509825/0853 ^;

badbath

FunlctionsweiseFunctionally

Phase 1, Heizphase (Fig. 3) Phase 1, heating phase (Fig. 3)

Stellung der Steuerklappen 9, 10, 11 und 12 nach Fig. 3Position of the control flaps 9, 10, 11 and 12 according to FIG. 3

Der Lüfter 7 sorgt für einen kräftigen Gasstrom in Pfeilrichtung 16. Das mit etwa 40 ⁰C aus dem links der Membran befindlichen Volumen durch den Tauscher 4 ausströmende Gas entnimmt dann dem Regenerator 13 die vom letzten Arbeitsgang gespeicherte Wärme und erhitzt sich so weit als die Wärmemenge reicht. Es erhitzt sich weiter bis zur Temperatur des Tauschers 3» wobei die Wärme aus diesem beim Durchtritt entnommen wird. Mit der hohen Temperatur von ca. 700 ⁰C schiebt das jetzt heiße, ausgedehnte und nun unter höherem Druck stehende Gas die Trennmembran 2 nach rechts, in Richtung des Pfeiles Dadurch wird im rechten Raum das Arbeitsgas komprimiert und so weit erwärmt, daß ein Teil seines Wärmeinhalts über den Tauscher 5 an die Gebäudeheizung abgegeben werden kann. Der durch den Lüfter 8 erzeugte Gasstrom wird zu diesem Zweck durch die Klappen 11 und 12 in Pfeilrichtung 17 gesteuert. Beim Durchtritt durch den Tauscher 5 wird dem Arbeitsgas sein Wärmeinhalt bis etwa 40 ⁰C entzogen, im Regenerator 14 wird weitere Wärme entzogen und gespeichert, da dieser vom vorherigen Arbeitsgang auf die Temperatur des Tauschers 6 abgekühlt war. Mit der niedrigen Temperatur des Tauschers 6 tritt das Arbeitsgas wieder in den Raum rechts der Rollmembran ein. The fan 7 ensures a strong gas flow in the direction of the arrow 16. The ^{gas flowing out of the volume on the left of the membrane through the exchanger 4 at about 40 °} C. then takes the heat stored from the last operation from the regenerator 13 and heats up as much as the amount of heat enough. It continues to heat up to the temperature of the exchanger 3 », whereby the heat is removed from it as it passes through. With the high temperature of about 700 ⁰ C which pushes now hot, expanded and now higher pressure gas separation membrane 2 to the right, in the direction of arrow a result, the working gas is compressed and heated so far in the right place, that a part of its Heat content can be released via the exchanger 5 to the building heating system. For this purpose, the gas flow generated by the fan 8 is controlled by the flaps 11 and 12 in the direction of the arrow 17. When it passes through the exchanger 5, its heat content is ^{withdrawn from the working gas up to about 40 °} C., and further heat is withdrawn and stored in the regenerator 14 because it had cooled down to the temperature of the exchanger 6 from the previous operation. With the low temperature of the exchanger 6, the working gas re-enters the space to the right of the rolling diaphragm.

Phase 2, Kühlphase (Fig. 4) Phase 2, cooling phase (Fig. 4)

Stellung der Steuerklappen 9, 10, 11 und 12 nach Fig. 4Position of the control flaps 9, 10, 11 and 12 according to FIG. 4

Die Durchströmrichtung des Arbeitsgases wird in die entgegengesetzte Richtung, gemäi3 Pfeilrichtung 20 und 21, gesteuert. In der Antriebsseite strömt das jetzt heiße, expandierte und unter einem höheren Druck stehende Gas durch Tauscher 3, gibt anschließend den größten Teil seines WärmeInhalts an den Regenerator 13 ab, der ihn für den nächsten Arbeitsgang speichert« Die restliche Wärme wird über Tauscher 4 nutzbar ge-The flow direction of the working gas is in the opposite direction Direction, according to arrow direction 20 and 21, controlled. The now hot, expanded and flowing in the drive side Gas under higher pressure passes through exchanger 3, then gives most of its heat content to the regenerator 13, which saves it for the next work step «The remaining heat is usable via exchanger 4.

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-5--5-

BAD ORIGINALBATH ORIGINAL

■ . -5-■. -5-

macht. Am Ende dieses Arbeitsganges hat sich das Arbeitsgas im linken Raum zusammengezogen und seinen Druck erniedrigt, wodurch sich die Trennmembran-2 nach linies in Richtung des Pfeiles 19 bewegt hat. Dadurch wird das Arbeitsgas im rechten Raum expandiert und seine Temperatur so weit erniedrigt, daß über den Wärmetauscher 6 Wärme niedrigen Niveaus zugeführt werden kann.power. At the end of this operation, the working gas has is contracted in the left space and its pressure is reduced, causing the separating membrane-2 to move linearly in the direction of the Arrow 19 has moved. This will put the working gas in the right Space expands and its temperature is lowered so far that heat is supplied to low levels via the heat exchanger 6 can be.

Varianten -..- . , '...-, Variants -..-. , '...-,

Eine mögliche Variante ist in Fig. 5 bis 7 dargestellt. Die Membran 2 aus Fig. 3 ist durch 2 unterschiedlich große Trennglieder, Kolben _t Membranen oder Rollmembranen ersetzt. Die unterschiedlichen Trennglieder, ergeben bei richtiger Anordnung größere Druckdifferenzen auf der getriebenen Seite. Dadurch wird es möglich, größere hutzbare Temperatursprünge .nach oben auf der Wärmepumpenseite zu erreichen. Ferner ist es möglich, auf der getriebenen Seite ein anderes Arbeitsgas (z. B. Frigen) als auf der antreibenden Seite zu verwenden. Auch könnte der getriebene Carnot-Prozeß durch den bekannten Wärmepumpenprozeß eines Kältemittels (z. B. Frigen, Ammoniak,. Kohlensäure usw.) ersetzt werden.One possible variant is shown in FIGS. The membrane 2 from FIG. 3 is replaced by 2 separating members of different sizes, pistons _t membranes or rolling membranes. With the correct arrangement, the different separators result in greater pressure differences on the driven side. This makes it possible to achieve larger, usable temperature jumps upwards on the heat pump side. It is also possible to use a different working gas (e.g. Frigen) on the driven side than on the driving side. The driven Carnot process could also be replaced by the known heat pump process of a refrigerant (e.g. Frigen, ammonia, carbonic acid, etc.).

Die Pos.-Nummern sind so weit als möglich mit denen in Fig. und 4 gleich.The item numbers are as close as possible to those in Fig. and 4 equal.

Funktionsweise (siehe Fig. 5 bis 7)Function (see Fig. 5 to 7)

Phase 1, Heizphase ' Phase 1, heating phase '

Durch die in Fig. 6 gestrichelt dargestellte Stellung der '. Klappen 9 und 10 wird der vom Lüfter 8 erzeugte Gasstrom in Richtung des Pfeiles 16 geleitet und erwärmt sieh wie auf Seite 4 unter Heizphase geschildert. In der. in Fig. 5 gezeichneten Endlage stehen alle Räume links und rechts des Kolbensystems über die Leitungen 22, 23, 24 und das Volumen 25 in Verbindung und können ihre Drücke ausgleichen. Tritt jetztThe position of the 'shown in dashed lines in FIG. Flaps 9 and 10, the gas flow generated by the fan 8 in Directed in the direction of arrow 16 and warmed up look like Page 4 described under heating phase. In the. in Fig. 5 drawn All spaces to the left and right of the piston system are in the end position via lines 22, 23, 24 and volume 25 in Connection and can equalize their pressures. Kick now

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wie oben geschildert die Erwärmung und Druckerhöhung des Arbeitsmediums ein, wird, der Druckausgleich durch die Drossel 27 verzögert, so daß links des größeren Kolbens 28 ein höherer Druck entsteht, der den Kolben 28, die Kolbenstange 29 und .den kleineren Kolben 30 in Richtung 18 bewegt. Der weitere Arbeitsgang läuft genau wie unter Phase 1, Heizphase auf Seite 4 geschildert.As described above, the heating and pressure increase of the working medium, the pressure equalization through the throttle 27 delayed, so that a higher pressure arises to the left of the larger piston 28, which the piston 28, the piston rod 29 and. the smaller piston 30 is moved in direction 18. The other one The operation runs exactly as described under phase 1, heating phase on page 4.

Phase 2, cooling phase

Die Kühlphase läuft genau wie unter Kühlphase auf Seite geschildert ab. Der Unterschied zu der in Fig. 3 dargestellten Anordnung besteht darin, daß durch die Flächendifferenz der Kolben 28 und 30 in der rechten (getriebenen)Seite größere Druck- und damit verbundene Temperatursprünge nach oben erreichbar sind.The cooling phase runs exactly as under Cooling phase on page depicted from. The difference to the arrangement shown in Fig. 3 is that by the difference in area of Pistons 28 and 30 on the right (driven) side achieve greater pressure and associated temperature jumps upwards are.

Das Volumen 25 in Verbindung mit den Kanälen 22, 23 und 24 dient dazu, in der gezeichneten Stellung alle Räume rechts und links des Kolbens miteinander zu verbinden, und den Kolben dadurch weitestgehend zu entlasten.The volume 25 in connection with the channels 22, 23 and 24 serves to connect all spaces to the right and left of the piston in the position shown, and to connect the piston thereby relieving the burden as much as possible.

Fig. 8 stellt eine weitere Variante dar. Die aus Fig. 3 bekannte antreibende linke Seite ist jetzt in Ausführung und Funktion zweimal im Behälter 1 untergebracht und addiert sich in der Wirkung. Wenn in Raum 32 das Arbeitsmedium durch entsprechende Steuerung der Klappen 9 und 10 erwärmt und dadurch ausgedehnt wird, werden die Klappen des Raumes 33 so gesteu- ' ert, daß sich dessen Medium abkühlt und zusammenzieht. Die Kolben 28 und 30 und die Kolbenstange 29 werden nach rechts in Richtung 18 und nach Umsteuerung der Klappen 9 und 10 nach links in Richtung 19 bewegt.Fig. 8 shows a further variant. The known from Fig. 3 driving left side is now in execution and Function housed twice in container 1 and adds up in the effect. If the working medium is in room 32 by appropriate Control of the flaps 9 and 10 is heated and thereby expanded, the flaps of the room 33 are so controlled- ' that its medium cools down and contracts. The pistons 28 and 30 and the piston rod 29 are to the right in direction 18 and after reversing the flaps 9 and 10 moved left in direction 19.

Die mechanische Energie wird durch Kolben 30 im druckfesten Behälter 31 zum Verdichten eines Kältemittels (Frigen, Ammoniak, Kohlendioxyd oder dgl.) verwendet. Der v/eitere Prozeß läuft wie in den bekannten Wärmepumpen ab.The mechanical energy is generated by pistons 30 in the pressure-tight container 31 for compressing a refrigerant (Frigen, ammonia, Carbon dioxide or the like.) Used. The further process takes place as in the known heat pumps.

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Claims

Claims, /

1. Heating device for buildings and industrial equipment under Application of two cycle processes, of which at least the driving one is approximately a Carnot cycle process, the runs similar to known hot air motors, thereby characterized in that the mechanical energy generated is at. the -. "- second Heat reservoir removed from low temperature levels Bring the amount of heat to a higher heat level.

2. Heating device according to claim 1, characterized in that ■ the two cycle processes run in a common pressure-tight container and the driven side through one Pistons, a membrane or a gas-permeable, sieve-like, heat-impervious one, the one known from the Stirling engine Regenerator-like device is separated from the driven side.

3. Heating device according to claim 1 and 2, characterized in that that the two work rooms are separated by 2 differently sized, Baskets that are rigidly connected to one another are separated (commercially available heat pumps (Frigen)).

4. Heating device according to claim 1 and following, characterized in that that as far as possible all internal parts of the

. ■ direction with a heat insulating layer against losses are protected

5. Heating device according to claim 1 and the following, characterized in that the working medium is hydrogen, helium, argon or the like * is used.

6. Heating device according to claim T and following, characterized in that the working medium is constantly under an increased

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Pressure is on.

7. Heating device according to claim 1 and the following, characterized in that that the gas circulation necessary for the realization of the Carnot processes by fans in connection With control flaps, valves or the like. Is forced.

8. Heating device according to claim 1 and the following, characterized in that that the for the realization of the Carnotsche Processes necessary gas circulation is generated by chimney draft in connection with control flaps or valves.

9. Heating device according to claim 1, 3 and following thereby characterized in that the mechanical energy generated on the left (driving) side is used for this, on the right Side a cycle process known for heat pumps with liquefaction and evaporation of a refrigerant (e.g. Frigen, Ammonia, or the like.) To drive (Fig. 8).

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Lee on the side