DE2612997A1

DE2612997A1 - Verfahren zum aufheizen oder abkuehlen eines raumes unter anwendung eines thermodynamischen kreisprozesses und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2612997A1
Application number: DE19762612997
Authority: DE
Inventors: Michel Villaume
Original assignee: Electricite & Isolation Elise
Current assignee: Electricite & Isolation Elise
Priority date: 1975-03-27
Filing date: 1976-03-26
Publication date: 1976-10-07
Also published as: DE7609425U1

Description

Verfahren zum Aufheizen oder Abkühlen eines Raumes unter Anwendung Mnes thermodynami sehen Kreisprozesses und Vorrichtung zur

Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Aufheizen oder Abkühlen eines Raumes unter Anwendung eines umgekehrten Camof sehen Kreisprozesses sowie thermodynamisehe Maschinen zur Durchführung des Verfahrens. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf derartige mit einem einzigen Zyklus arbeitende Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrades und auf Maschinen, die mit einem derartigen höheren Wirkungsgrad arbeiten.

Bekanntlich besteht die Aufgabe derartiger Maschinen darin, bei möglichst geringer Energiezufuhr eine möglichst große Wärmemenge zu übertragen. Aus diesem Grunde definiert man den Wirkungsgrad von mit thermodynamisehen Kreisprozessen arbeitenden Wärmeübertragungsmaschinen als das Verhältnis von abgegebener Wärmemenge zur aufgenommenen Energie, die der Kompressor der Maschine bei der Wärmeübertragung aufnimmt. Dieser Wirkungsgrad ist umso besser, je dichter die Temperaturen

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der Kältequelle und. der Wärmequelle beieinander liegen.

Eine thermodynamische Übertragungsmaschine i^eist einen geschlossenen Kreis mit einem darin zirkulierenden Fluid auf, das unter der Einwirkung von Kompressions- und Entspannungseinrichtungen nacheinander eine Folge von verschiedenen physikalischen Zuständen durchläuft und schließlich wieder seinen Ausgangszustand erreicht. Wenn der Benutzer die Kälte verwendet, so spricht man bei einer derartigen Maschine vor einer kälteerzeugenden oder Kühlgruppe. Verwendet der Benutzer die 7ärme, so wird die Maschine als Wärmepumpe bezeichnet. In beider» Fällen handelt es sich um den gleichen Maschinentyp. Im ersten Fall spricht der Benutzer zwar vom "Kälteerzeugungskoeffizienten" und im zweiten Fall von der "Leistung". In beiden Fällen handelt es sich aber um den den gleichen Gesetzen unterworfenen Wirkungsgrad, so daß im folgenden der Einfachheit halber nur vom Wirkungsgrad die Rede sein soll.

Bei derartigen Maschinen nimmt das verwendete Fluid in gewissen Bereichen des durchflossenen, geschlossenen Kreises Kalorien aus einem ersten Umgebungsmedium auf, in das diese Teile des Kreises eingebettet sind, und gibt diese Kalorien in einem zweiten Umgebungsmedium wieder ab, in dem die übrigen Teile des Kreises eingebettet sind. Die Teile des Kreises, in denen das Fluid das erste Umgebungsmedium abkühlt, bilden somit eine Kältebatterie oder -quelle, während diejenigen Teile des Kreises, in denen das gleiche Fluid das Umgebungsmedium erwärmt, eine Wärmequelle oder -batterie bilden.

In dem geschlossenen Kreis verdampft das Fluid als Kältemittel bei einer bestimmten Temperatur, d.h. der Temperatur der Kältequelle_/und nimmt dabei Kalorien aus dem abzukühlenden Fluid auf, wird anschließend komprimiert und kondensiert schließlich bei

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einer höheren Temperatur, d.h. der Temperatur der Wärmequelle^, und gibt dabei Kalorien an das zu erwärmende Fluid ab.

Damit ein Wärmeaustausch in der Kältequelle möglich ist, ist die Temperatur des abzukühlenden Fluids in sämtlichen Punkten höher als die Verdampfungstemperatur des als Kältemittel wirkenden Fluids oder die Temperatur der Kältequelle. Aus dem gleichen Grunde ist die Temperatur des zu erwärmenden Fluids in sämtlichen Punkten niedriger als die Kondensationstemperatur des als Kältemittel arbeitenden Fluids.

Unter Berücksichtigung dieser Wärmeaustauschbedingungen kann der theoretische Wirkungsgrad des thermodynamisehen Kreisprozesses in keinem Fall größer als derjenige des zwischen den extremen Temperaturen der äußeren Fluide arbeitenden Kreisprozesses sein, d.h. der tiefsten Temperatur des abzukühlenden Fluids und der höchsten Temperatur des zu erwärmenden Fluids. Theoretisch könnte dieser maximale Wirkungsgrad am besten dadurch angenähert werden, daß man unbegrenzte l'Iärmeaustauschf lachen verwendet.

Beim jetzigen Stande der Technik begnügt man sich damit, die Austauschflächen zu vergrößern, was sowohl die Kosten als auch den erforderlichen Raum erhöht, oder aber den reellen Wirkungsgrad bzw. die Leistungsfähigkeit der Maschinen zu verbessern. Ferner ist die Begrenzung des Wirkungsgrades aufgrund der extremen Temperaturen gerade deswegen von besonderem Nachteil, da die Aufgabe derartiger Maschinen im allgemeinen darin besteht, bei so geringer Energieaufnahme wie irgend möglich eine Wärmeübertragung vorzunehmen.

Ferner ist bekannt, daß die Wiedergewinnungskapazität zusammen mit dem Wirkungsgrad ein wesentliches Merkmal einer Wärmepumpe

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ist. Um die größtmögliche in einem Fluid enthaltene Wärmemenge wiederzugewinnen, ist es erforderlich, seine Temperatur soweit wie möglich zu erniedrigen. Wenn das Fluid ein feuchtigkeitshaltiges Gas ist, so setzt sich der in dem Gas enthaltene Dampf auf den Kältebatterien ab und verringert dabei seine Austauschkapazität und kann die Zwischenräume zwischen den Rippen versperren, in denen das abzukühlende Fluid zirkuliert.

Bei einer Reihe von im Betrieb befindlichen Wärmekraftwerken ist die Wärmepumpe so dimensioniert, daß die Bildung von Rauhreif oder Eisansatz vermieden ist, wobei die Temperatur der ausgestossenen, abzukühlenden Luft nicht unter einen vorgegebenen Wert von ungefähr 5 C bei den üblichen Betriebsbedingungen zur Wiedergewinnung von Wärme von aus einem Raum abgezogener Luft absinkt.

Häufiger liegt die Temperatur von ausgestossener, abzukühlender Luft bei einem niedrigeren Wert als 5°C, und zwar vorteilhafterweise zwischen 1⁰C und 4⁰C. Man unterbricht dann den Betrieb der von der Kältebatterie eingefrorenen Wärmepumpe, wenn sich eine bestimmte Menge von Rauhreif oder Eis gebildet hat. Die Batterie wird dann enteist und zwar entweder durch Hindurchleiten von warmem Gas im Inneren der Batterie oder durch ein Fluid, in das die Batterie taucht, wobei ein elektrischer Widerstand das Fluid auf eine ausreichende Temperatur bringt, um die Beseitigung der Eis- oder Reifschicht zu beschleunigen.

Man erkennt, daß die Wiedergewinnungskapazität der Wärmepumpe von selbst bei Abwesenheit von Reif- oder Eisbildung begrenzt ist, was somit einen Verlust an kostenlos wiedergewonnener Energie und daait im Energiehaushalt mit sich bringt. Andererseits impliziert das Enteisen ein vollständiges Anhalten der

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Wärmewiedergewinnung und einen Energieverlust beim Vorgang der Eisbeseitigung, was somit zu einem Verlust an wiedergewonnener Energie während der Enteisungsperiode führt. Dieser Verlust an wiedergewonnener Energie führt im allgemeinen dazu, daß der beim Betrieb der Wärmepumpe in der Betriebsperiode bis zur Bildung des Eisansatzes erzielte Nutzen geschmälert wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu beseitigen und ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, die eine Erhöhung des Wirkungsgrades und der mittleren Wiedergewinnungskapazität von Wärme bei einer mit einem thermodynamisehen Kreisprozeß arbeitenden Maschine unter Verdopplung ihrer Kreise ermöglichen, ohne daß dazu die Austauschflächen beträchtlich vergrößert oder die kälteerzeugenden Kreise besonders kompliziert ausgebildet werden müssen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Aufheizen oder Abkühlen eines Raumes ist dadurch gekennzeichnet, daß die in den Raum eintretende Luft nacheinander mindestens zwei Wärmebatterien bzw. Kältebatterien passiert, die auf dem Strömungsweg hintereinander angeordnet sind und zu verschiedenen thermodynami sehen Maschinen gehören, während die aus dem Raum austretende Luft nacheinander zwei weitere Batterien der thermodynamisehen Maschinen passiert, wobei die von der Luft in dem Raum zuerst angetroffene Wärmebatterie zur gleichen Maschine gehört wie die von der aus dem Raum austretenden Luft als zweite angetroffene Kältebatterie.

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Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die aus dem zu erwärmenden Raum abgezogene Luft nacheinander mit mehreren zu jeweils verschiedenen thermodynamischen Maschinen gehörenden Kältebatterien abgekühlt und die Luft während einer ersten Periode auf eine tiefe Temperatur unter Bildung von Rauhreif zumindest auf der letzten von der Luft bestrichenen Batterie, aber mit Ausnahme der ersten Batterie gebracht. Die Enteisung der letzten Batterie wird während einer zweiten Periode durch Anhalten der dazugehörigen thermodynamisehen Maschine und durch die aus den vorherigen Kältebatterien austretende Luft sichergestellt, während die anderen thermodynamischen Maschinen normal weiterlaufen.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht somit im wesentlichen darin, den Wärmeaustausch zur Verringerung des Abstandes zwischen der Kondensations- und der Verdampfungstemperatur der gleichen thermodynamischen Maschine aufzuteilen, was bei gleichen Wärmeaustauschflächen eine sehr beträchtliche Verbesserung des gesamten Wirkungsgrades jeder Maschine und damit der gesamten Anordnung ermöglicht. Die Aufteilung des Wärmeaustausches ermöglicht ferner eine Verbesserung der Kapazität zur Wärmewiedergewinnung einer thermodynamischen Maschine, da dabei ein vollständiges Anhalten der thermodynamischen Maschine zur Wärmewiedergewinnung und der Verbrauch von äußerer Energie während der Entfrostungsperioden vermieden werden.

Die Erfindung bezieht sich des weiteren auf eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Vorrichtung ist im wesentlichen gekennzeichnet durch mindestens zwei Maschinen mit unabhängigen thermodynamischen Kreisprozessen, die jeweils mit einzelnen Verdampfungs- und Kondensationsbatterien versehen sind, und bei denen die aufzuheizende oder abzukühlende Luft

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des Raumes nacheinander die Kondensations- oder Abkühlungsbatterien jeder Maschine passiert. Eine derartige Vorrichtung wird üblicherweise als Vorrichtung zur Behandlung von in einem Doppelstrom fliessender Luft bezeichnet.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung liegt somit darin, daß man aus zwei thermodynamisehen Maschinen ein kompaktes Wärmekraftwerk aufbaut, bei dem man die dem Raum zugeführte Luft zuerst die Wärmebatterie der ersten Maschine passieren läßt und bei dem man andererseits die aus dem Raum abgezogene Luft die Kältebatterie der ersten Maschine passieren läßt, nachdem die Luft die Kältebatterie der zweiten Maschine passier hat.

Vorzugsweise sind die beiden getrennten thermodynamischen Maschinen so dimensioniert, daß die von der aus dem zu erwärmenden Raum abgezogene Luft vor ihrem Ausstoß als letzte durchsetzte Kältebatterie und nur diese allein vereist. Ein Entfrostungsorgan hat die Aufgabe, zu Beginn der Entfrostungsperiode diejenige thermodynamisehe Maschine, zu der die letzte Kältebatterie gehört, anzuhalten und sie am Ende der Entfrostungsperiode wieder in Betrieb zu setzen.

Das oben erwähnte Entfrostungsorgan, mit dem eine Unterbrechung oder Wiederherstellung der Versorgung des zur gleichen thermodynami sehen Maschine wie die letzte Kältebatterie gehörenden Kompressors möglich ist, kann entweder eine einstellbare Schaltuhr zur Festlegung der Unterbrechungsperiode und der Zyklusdauer in Abhängigkeit von den vorhersehbaren äußeren Betriebsbedingungen oder einem dem Rauhreif ausgesetzten Druckregler für Niederdruck am kälteerzeugenden Kreis des Verdampfers oder

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einen mit einem Glühkopf versehenen Temperaturregler auf dem Verdampfer oder der Kältebatterie oder eine Kombination von diesen aufweisen. In sämtlichen Fällen arbeiten die Regelungen in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen.

Man erkennt, daß die Wärmebatterien und/oder Kältebatterien der beiden thermodynamisehen Maschinen gegebenenfalls miteinander verbunden sein können. Jede thermodynamische Maschine arbeitet vorteilhafterweise mit einem einzigen Kreisprozeß, wobei der Ablauf des Abkühlungsvorganges gegenüber dem Erwärmungsvorgang der Maschine und umgekehrt unter Umkehrung der relativen Stellungen der Wärme- und Kältebatterien der Maschine hinsichtlich des die jeweilige Batterie passierenden Luftflusses erfolgt.

Bei einer derartigen Ausführungsform können die Batterien eine feste Stellung im Erwärmungskreis und im Abkühlungskreis haben, wobei der Durchlauf von einem Kreis zum anderen dann unter Umkehr der Teile des LuftStromkreises erfolgt, in dem die Batterien liegen.

Andererseits können die Kreise im Strom der jeweiligen thermodynamischen Maschine im Erwärmungskreis und im Abkühlungskreis ausgetauscht werden, wobei der Durchlauf von einem Kreis zum anderen dann unter Verschiebung der Batterien und unter Umkehr ihrer jeweiligen Stellungen gegenüber den Kreisen erfolgt.

Die Erfindung soll im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und anhand von Schemazeichnungen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen in

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Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise einer üblichen thermodynamischen Maschine oder Luft-Luft Wärmepumpe;

Fig. 2 ein vereinfachtes Schema der Fig. 1;

Fig. 3 eine Anordnung der Batterien der thermodynamischen Maschine nach Fig. 2;

Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise einer thermodynamischen Maschine nach Fig. 2 und 3;

Fig. 5 eine der Fig. 2 ähnliche Darstellung einer schematischen Anordnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 6 eine Anordnung der Wärme- und Kältebatterien der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Fig. 5;

Fig. 7 ein der Fig. 4 ähnliches Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Fig. 5 und 6;

Fig. 8 ein Vergleichsdiagramm zur Erläuterung der unterschiedlichen Wirkungsweise einer üblichen thermodynamischen Maschine und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 9 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Möglichkeit der Umkehr des Luftstromes bei einer erfindungsgemäßen thermodynamischen Maschine mit

einem einzigen Kreisprozeß;

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Fig. 10 eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung einer üblichen thermodynamischen Wärmekraftmaschine oder Luft-Luft Wärmepumpe, die ohne Vereisung arbeitet;

Fig. 11 eine Wärmekraftmaschine, deren thermodynamische Maschine mit verdoppeltem kälteerzeugenden Kreislauf abwechselnd mit Vereisung und Entfrostung arbeitet;

Fig. 12 ein Diagramm zur Erläuterung der unterschiedlichen mittleren Wiedergewinnungskapazitäten, wie sie mit Hilfe der Vorrichtungen nach Fig. 10 und 11 erreicht werden;

Fig. 13 eine der Fig. 9 ähnliche Darstellung zur Erläuterung einer weiteren Möglichkeit der Umkehr der Stellungen der Batterien der thermodynamischen Maschine hinsichtlich des Luftstromes; und in

Fig. 14 eine der Fig. 13 ähnliche Darstellung zur Angabe weiterer Stellungen der Batterien.

Die Schemazeichnung nach Fig. 1 zeigt eine thermodynamische Maschine mit einem geschlossenen Kreis 1, in dem ein Fluid als Kältemittel zirkuliert. Das in einem Kompressor 2 komprimierte Fluid durchläuft bei der in Fig. 1 wiedergegebenen Anordnung eines Heizkreises einen vom Luftstrom F^ durchströmten Kondensor 3 als Wärmebatterie, der ihm Kalorien entzieht und, von einem Ventilator 5 beaufschlagt, in einen Raum 4 strömt. Das als Kältemittel arbeitende Fluid gelangt dann in einen vom Strom Fp durchsetzten Verdampfer 6 als Kältebatterie,

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der Kalorien an ihn abgibt und vom Raum 4 von einem Ventilator 7 abgezogen wird. Man findet diese verschiedenen Elemente in schematischerer Form in Fig. 2 und in Fig. 3 wieder, in denen erkennbar ist, wie die Batterien 3 und 6 und die Ventilatoren 5 und 7 miteinander verbunden sein können, um eine integrierte Anordnung zu bilden.

Fig. 4 zeigt die Wiederaufheizung eines Raumes 4 mit Hilfe einer derartigen Anordnung. Die Kondensationstemperatur T₁ des Kältemittels liegt bei 29,5°C, während die Verdampfungstemperatur T₂ bei -8⁰C liegt. Die Temperatur t^ des äußeren Luftstromes F₁ liegt bei ungefähr -5°C; die Raumtemperatur tp beträgt ungefähr 19⁰C und die Temperatur t des Stromes F₂ nach Durchlaufen des Verdampfers 6 beträgt ungefähr 3,5⁰C.

In Fig. 5 und 6 ist das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem zur Erhöhung des thermodynamischen Wirkungsgrades der Temperaturaustausch aufgeteilt ist, schematisch wiedergegeben. Zu diesem Zweck werden zwei analog aufgebaute und parallel angeordnete thermodynamische Maschinen mit geschlossenen Kreisen 1a bzw. 1b verwendet, bei denen die oben bereits beschriebenen Organe jeweils mit dem Index a bzw. b versehen sind. Die thermische Energiebilanz ist in Fig. 7 wiedergegeben. Der äußere Luftstrom F₁ durchströmt zwangsläufig den Kondensor 3b und anschließend den Kondensor 3a, bevor er in den Raum eintritt, während der aus dem Raum abgezogenen Luftstrom F₂ zunächst den Verdampfer 6a und anschließend den Verdampfer 6b durchströmt . Die Temperatur t^· der äußeren Luft beträgt ungefähr -5°C, die Temperatur T₁'.des Kondensors 3a beträgt ungefähr 15⁰C und der Luftstrom F₁ erreicht hinter diesem Kondensor eine Temperatur t,,¹ von ungefähr 8°C. Die Temperatur T₁" des Kondensors 3b liegt bei 29,5⁰C und die Temperatur t,^f nach Durchlaufen des Kondensors beträgt 19°C Nach Verlassen

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des Raumes durchsetzt der Luftstrom Fp zunächst den Verdampfer 6a mit einer Verdampfungstemperatur Tp" von 1 C und erreicht eine Temperatur von t- von ungefähr 8 C. Der Luftstrom passiert dann den Verdampfer 6b mit einer Verdampfungstemperatur Tp¹ von ungefähr -8°C und erreicht dann eine Temperatur tj. von ungefähr 2⁰C.

Fig. 6 zeigt eine integrierte Anordnung von Batterien 3a und 3b einerseits und 6a und 6b andererseits mit einem einzigen Ventilator 6 und einem einzigen Ventilator 7.

Fig. 8 zeigt auf ihrer linken Seite den Kreisprozeß einer thermodynamischen Maschine 1 nach Fig. 2 und 3, während auf ihrer rechten Seite der Kreisprozeß von zwei Maschinen 1a und 1b einer erfindungsgemäßen Anordnung wiedergegeben ist.

Ein praktisches Ausführungsbeispiel der Erfindung mit den in Fig. 7 angegebenen Werten zeigt deutlich, welche Vorteile sich damit erzielen lassen. Hat der Fluß F₁ von angesaugter

Luft mit einer Temperatur von -5⁰C einen Wert von 8000 m /h, so beträgt die Leistung des Kompressors der Maschine 1a nach Fig.5 7,6 kW und die Maschine hat eine Leistung von 33 500 kcal/h, während die Maschine 1b eine Leistung von 6,3 kW hat und 26 800 kcal/h-liefert. Aus einem Raum mit 20⁰C zieht man einen Strom Fp von 6000 an /fa ab, wobei der Unterschied zwischen den Flußmengen F^ und F₂ auf Undichtigkeiten und Streuverlusten beruht, und die Luft wird nach Passieren der Verdampfer 6a und 6b mit 1⁰C in die Atmosphäre abgelassen.

Die thermische Leistungsfähigkeit der Maschine 1a beträgt unter Berücksichtigung der gelieferten thermischen Leistung von 33 500 kcal/h entsprechend 38 860 W einerseits und der

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- 13 Leistung des Kompressors von 7,6 kW andererseits = 5,11.

Die in analoger Weise "berechnete thermische Leistungsfähigkeit der Maschine 1b beträgt 4,93.

Die thermische Leistungsfähigkeit der Anordnung liegt bei 5, während eine übliche Wärmekraftmaschine nach Fig. 1 bei den gleichen Bedingungen hinsichtlich der Außentemperatur und der Raumtemperatur nur eine Leistungsfähigkeit von 4 hätte und zur Lieferung einer gleich großen Wärmeleistung eine Leistung von 17,5 kW gegenüber 6,3 kW + 7,6 kW = 13,9 kW bei der erfindungsgemäßen Maschine haben müßte, d.h. eine um 25 % höhere Leistung als die erfindungsgemäße Vorrichtung.

Die Verwendung von zwei thermodynamischen Maschinen erhöht die Kosten gegenüber einer mit einer einzigen Maschine arbeitenden Klimatisierungsanlage nicht beträchtlich. Tatsächlich ist es so, daß in den entsprechenden Leistungsbereichen zwei Kompressoren praktisch nicht mehr kosten als ein einziger Kompressor mit der gleichen Leistung wie sie der Summe der Leistungen der beiden Kompressoren entspricht.

Aufgrund der Verdopplung der Kreise stellt man aber noch einen weiteren beträchtlichen Vorteil fest. Eine derartige Vorrichtung ermöglicht nämlich außer der Erhöhung des Wirkungsgrades aufgrund der Temperaturdifferenzen eine sehr beträchtliche Erhöhung der Kältemenge der Kältequelle. Die bei der niedrigeren Temperatur arbeitende Kältebatterie arbeitet im Rauhreifbereich, aber die zweite Gruppe hört nicht auf zu arbeiten, wenn die erste Gruppe sich im Entfrostungszyklus befindet. Ein derartiges Arbeiten bei maximaler Leistung würde schwerwiegende Nachteile

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bei einer einfachen Maschine mit sich bringen, wenn deren Kältebatterie sich mit Eis überziehen würde.

Um die Vorteile besser zum Ausdruck zu bringen, die aus den abwechselnden Vorgängen der Vereisung und Enteisung eines Wärmekraftwerks mit doppeltem Kältekreislauf resultieren, soll im folgenden eine derartige, in Fig. 11 wiedergegebene Wärmekraftmaschine mit einer üblichen, ohne Vereisung arbeitenden Maschine nach Fig. 10 verglichen werden.

Die schematische Darstellung nach Fig. 10 zeigt eine ähnlich der Anordnung nach Fig. 1 aufgebaute Wärmekraftmaschine. Wie in Fig. 1 passieren der neu zugeführte Luftstrom F. und der aus dem nicht dargestellten, zu erwärmenden Raum abgezogene Luftstrom F₂ unter Beaufschlagung von Ventilatoren 5 bzw. 7 die Wärmebatterie 3 bzw. die Kältebatterie 6 einer thermodynamischen Maschine oder Luft-Luft Wärmepumpe, deren Kompressor mit 2 bezeichnet ist.

Der Luftstrom Fp, der beispielsweise eine Temperatur von 20⁰C und eine relative Luftfeuchtigkeit von 50 % aufweist, gibt Kalorien trockener und latenter Wärme an die Kältebatterie 6 ab, bevor er mittels eines Ventilators 7 mit einer Temperatur von 5⁰C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 87 % ausgestossen wird. Die abgegebenen Kalorien werden von der Wärmebatterie 3 auf den Strom F^ von neu zugeführter Außenluft übertragen, bevor diese aufgrund der vom Kompressor aufgenommenen Energie in den zu erwärmenden Raum eingeblasen wird.

Die in Fig. 11 wiedergegebene schematische Anordnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Behandlung von Luft weist

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zwei thermodynamisch^ Maschinen auf, die jeweils mit einem Kompressor 2a, 2b, einer Wärmebatterie 3a, 3b und einer Kältebatterie 6a, 6b versehen sind. Ferner ist ein Entfrostungsorgan 30 vorgesehen, mit dem die Versorgung des Kompressors 2a unterbrochen und wieder angeschlossen werden kann. Ferner darf darauf hingewiesen werden, daß der Strom F^ von neuer Außenluft nacheinander unter der Wirkung des Ventilators 5 die Wärmebatterien 3a und 3b passiert, während der aus dem zu erwärmenden Raum abgezogene Luftstrom Fp nacheinander die Kältebatterien 6b und 6a unter der Wirkung des Ventilators 7 passiert.

Wie bei dem anhand der Fig. 10 erläuterten Vergleichsbeispiel weist der Luftstrom F2 eine Temperatur von 20⁰C und eine relative Luftfeuchtigkeit von 50 % auf, wird von der Kältebatterie 6b zunächst auf eine Temperatur von 9,7⁰C und eine relative Luftfeuchtigkeit von 78 % und dann von der Kältebatterie 6a auf eine Temperatur von 1⁰C und eine relative Luftfeuchtigkeit von 90 % gebracht. Die auf diese Weise von der Kältebatterie 6a bzw. 6b wiedergewonnenen Kalorien werden von der Wärmebatterie 3a bzw. 3b aufgrund der vom Kompressor 2a bzw. 2b aufgenommenen Energie an den Strom F₁ von neuer Luft übertragen. Während der Entfrostungsperiode unterbricht das Organ 30 die Versorgung des Kompressors 2a, während der Kompressor 2b seinen Betrieb normal fortsetzt.

Anhand von Fig. 12 ist es möglich, die wiedergewonnenen Wärmemengen miteinander zu vergleichen. Auf der linken Seite der Fig. 12 sind die mit einer üblichen Vorrichtung nach Fig. 10 erzielbaren Ergebnisse und auf der rechten Seite der Fig. 12 die mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Fig. 11 erzielbaren Ergebnisse wiedergegeben. Die mittlere

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Wiedergewinnungskapazität hat bei identischen Bedingungen hinsichtlich der Kondensoren oder Wärmebatterien bei einem Strom F₂ von 6000 m^/h einen Wert von 37 320 fg/h im Falle 100, entsprechend einem Ausstoß bei 5⁰C, und einen Wert von 45 130 fg/h im Falle 200, entsprechend einem Ausstoß bei 1⁰C aus den Entfrostungszyklen. Die Dauer des Entfrostungszyklus liegt dann bei 10 Minuten pro Stunde; die Wiedergewinnungskapazitäten m und M betragen entsprechend 26 800 fg/h während der Periode von 10 Minuten und 48 800 fg/h während des restlichen Teiles einer Stunde.

Unabhängig davon, ob die erfindungsgemäße thermodynamische Maschine ohne Vereisung oder aber mit abwechselnder Vereisung und Enteisung arbeitet, können die Wärmebatterien ebenso wie die Kältebatterien zwei getrennte Abteile in der gleichen Anordnung oder aber eine Nebeneinanderordnung von zwei getrennten Batterien aufweisen, die aneinander angeschlossen sind oder nicht. Die eigentlichen Batterien jeder dieser Maschinen können somit, wie aus den Zeichnungen erkennbar, mit gegenläufigen Luftströmen F₁ und F₂ ausgebildet sein.

Man erkennt, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders einfach aufgebaut ist. Eine derartige Vorrichtung läßt sich ebenso gut zum Erwärmen wie zum Abkühlen eines Raumes verwenden, um sie aber gemeinsam für beide Klimatisierungsarten zu verwenden, ohne dabei die Kreisprozesse der thermodynamisehen Maschinen umzukehren, was besonders komplizierte Anordnungen erforderlich machte, ist es, wie oben bereits erwähnt, vorzuziehen, bei jeder dieser Maschinen die Stellungen der Batterien gegenüber den Strömen F₁ und F₂ umzukehren, ohne die Bewegungsrichtung des als Kältemittel arbeitenden Fluids umzukehren.

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Eine erste Möglichkeit zur Umkehrung der Stellungen der Batterien ist in Fig. 9 wiedergegeben. In einem Gehäuse 17 sind eine Kältebatterie 18 und eine Wärmebatterie 19 angeordnet. Eine Wand 20 trennt das Gehäuse 17 in zwei den Batterien 18 und 19 entsprechende Leitungen bzw. Abteile. An jedem Ende des Gehäuses sind bewegliche Klappen 12a und 12b bzw. 13a und 13b angebracht, deren freie Enden bei einer Schwenkbewegung in dichten Kontakt mit dem entsprechenden Ende der Wand 20 kommen können; die Stellungen der Klappen sind in Fig. 9 strich!iert wiedergegeben. Auf diese Weise ist es durch sinnvolle Steuerung der Klappen möglich, einen in das Gehäuse 17 eintretenden Strom F. durch eine der Öffnungen 14a oder 14b entweder durch die Kältebatterie 18 oder durch die Wärmebatterie 19 passieren zu lassen. Ebenso kann ein Fluidstrom F₂> der durch eine zwischen den Öffnungen 14a und 14b angeordnete mittlere Öffnung 15 in das Gehäuse 17 eintritt, entweder die Kältebatterie 18 oder aber die Wärmebatterie 19 passieren.

Eine derartige besonders einfache Anordnung für thermodynamisehe Maschinen ermöglicht es, die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Klimatisierung eines Raumes im Sommer wie im Winter zu verwenden, ohne daß dabei die Kreisprozesse der Maschinen umgekehrt werden. Eine derartige Anordnung weist aber den Nachteil auf, daß bewegliche Klappen im Betrieb erforderlich sind, die entsprechend gesteuert die Lufteinlässe und -auslasse verschliessen bzw. öffnen und die aufgrund ihrer Wirkungsweise beträchtliche Dichtigkeitsprobleme aufwerfen können.

Eine zweite Möglichkeit der Umkehrung der relativen Stellungen der Batterien und der Luftströme ist in den Fig. 13 und 14

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wiedergegeben, die jeweils zwei Stellungen wiedergeben, die eine Kältebatterie und eine Wärmebatterie einer thermodynamisehen Maschine bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung einnehmen können.

In den Fig. 13 und 14 erkennt man zwei Batterien, und zwar eine Kältebatterie 6 und eine Wärmebatterie 3 einer thermodynamischen Maschine mit einem einzigen Zyklus. Die beiden Batterien 3 und 6 sind in entsprechenden Leitungen 17a bzw. 17b angeordnet, welche die Luftströme F^ bzw. F2 durchsetzen.

Die Batterien können mit einer Antriebseinrichtung, beispielsweise einer an die Batterien angeschlossenen Anordnung 40 mit Kabeln und Rollen verschoben werden.

Wie aus Fig. 14 erkennbar, ist es auf diese Weise möglich, die Stellungen der Batterien 3 und 6 umzukehren, d.h. die Wirkungsweise der thermodynamischen Maschine umzukehren, ohne die Flußrichtung der Luftströme F₁ und F₂ zu verändern.

Der Einfachheit halber sind die in die Leitungen 17a bzw. 17b eingearbeiteten Durchgänge zur Verschiebung der Batterien 3 und 6 in den Zeichnungen nicht wiedergegeben.

Der Vorteil einer derartigen Anordnung zur Umkehrung der relativen Stellungen der Batterien 3 und 6 und der Luftströme F^ und F₂ liegt darin, daß es wesentlich einfacher ist, die Dichtigkeit zwischen den Batterien und dem Gehäuse 17 der Vorrichtung sicherzustellen als auf dem Niveau der beweglichen Klappen, d.h. in der Praxis zwischen der Klappe eines Ventils und dem festen Teil dieses Ventils.

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Obwohl in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen nur von zwei thermodynamischen Maschinen die Rede ist, ist es selbstverständlich, daß man in ähnlicher Weise eine größere Anzahl von Maschinen verwenden kann, die im gleichen Wärmekraftwerk angeordnet sind, wobei die dem Raum zugeführte Luft die Wärmebatterie einer ersten Maschine durchströmt und dann diejenige einer zweiten Maschine usw., während die aus dem Raum abgezogene Luft in umgekehrter Reihenfolge die Kältebatterien der verschiedenen Maschinen durchströmt, d.h. daß sie beispielsweise die Kältebatterie der ersten Maschine erst durchströmt, nachdem sie die Kältebatterie der zweiten Maschine durchströmt hat.

Ferner ist es selbstverständlich möglich, daß man die Kältebatterien vereisen lassen kann, mit Ausnahme der ersten Kältebatterie, die von der aus dem zu erwärmenden Raum abgezogenen Luft passiert wird.

Patentansprüche; - 20 -

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Claims

- 20 Patentansprüche

1.!Verfahren zum Aufheizen bzw. Abkühlen eines Raumes, dadurch gekennzeichnet , daß die in den Raum eintretende Luft nacheinander mindestens zwei Wärmebatterien bzw. Kältebatterien passiert, die auf dem Strömungsweg hintereinander angeordnet sind und zu verschiedenen thermodynamisehen Maschinen gehören, während die aus dem Raum austretende Luft nacheinander zwei weitere Batterien der thermodynamischen Maschinen passiert, wobei die von der Luft in dem Raum zuerst angetroffene Wärmebatterie zur gleichen Maschine gehört wie die von der aus dem Raum austretenden Luft als zweite angetroffene Kältebatterie.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermodynamischen Maschinen mit einem einzigen Zyklus arbeiten und daß der Übergang vom Abkühlungsvorgang zum Heizvorgang und umgekehrt jeder Maschine unter Umkehr der relativen Stellungen der Wärme- und Kältebatterien der Maschine gegenüber dem passierenden Luftstrom erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die aus dem zu erwärmenden Raum abgezogene Luft nacheinander mit mehreren zu jeweils verschiedenen thermodyn'amischen Maschinen gehörenden Kältebatterien abgekühlt und die Luft während einer ersten Periode auf eine tiefe Temperatur unter Bildung von Rauhreif zumindest auf der letzten von der Luft bestrichenen Batterie, mit Ausnahme der ersten Batterie gebracht wird, und daß die Enteisung der letzten Batterie während einer zweiten Periode durch Anhalten der dazugehörigen thermodynamischen Maschine und durch die aus den vorherigen Kältebatterien austretende Luft sichergestellt wird, während die anderen thermodynamischen Maschinen im Normalbetrieb weiterlaufen.

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4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem zu erwärmenden Raum abgezogene Luft mit einer Temperatur von 20⁰C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50 % mit der ersten Kältebatterie auf Werte von 9,7⁰C und 78 % Luftfeuchtigkeit und mit der zweiten Kältebatterie auf Werte von 1⁰C und 90 % Luftfeuchtigkeit gebracht wird, wobei die erste Periode der Bildung von Rauhreif und Eis 50 Minuten und die zweite Periode der Entfrostung 10 Minuten dauern.

5. Vorrichtung zur Behandlung von in einem Doppelstrom fliessender Luft zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorrichtung in Kombination mindestens zwei mit thermodynamisehen Kreisprozessen arbeitende Maschinen, Einrichtungen zum nacheinander Passieren lassen von Wärme- bzw. Kältebatterien der einem Raum zuzuführenden Luft und Einrichtungen zum nacheinander Passieren lassen von Kälte- bzw. Wärmebatterien der aus dem Raum abgezogenen Luft aufweisen, und daß die Maschinen auf dem Strömungsweg der Luft so angeordnet sind, daß die von der dem Raum zugeführten Luft als erste angetroffene Wärmebatterie zur gleichen Maschine gehört wie die von der aus dem Raum abgezogenen Luft als zweite angetroffene Kältebatterie.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kältebatterien einerseits und die Wärmebatterien andererseits der thermodynamischen Maschinen verbunden sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kältebatterien einerseits und die Wärmebatterien andererseits der thermodynamischen Maschinen getrennte Abteile einer Kälteanordnung bzw. einer Wärmeanordnung bilden.

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8. Vorrichtung zur Behandlung von in einem Doppelstrom fliessender Luft nach Anspruch 5 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch mindestens zwei getrennte thermodynamische Maschinen mit einer derartigen Dimensionierung, daß die von der aus dem zu erwärmenden Raum abgezogene Luft vor ihrem Ausstoß als letzte durchsetzte Kältebatterie und nur diese allein vereist, und durch ein Entfrostungsorgan, das zu Beginn der Entfrostungsperiode diejenige thermodynamische Maschine anhält, zu der die letzte Kältebatterie gehört, und die am Ende der Entfrostungsperiode die Kältebatterie wieder in Betrieb setzt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Entfrostungsorgan eine einstellbare Uhr aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Entfrostungsorgan einen an die letzte Kältebatterie angeschlossenen Druckregler für Niederdruck aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß da's Entfrostungsorgan einen mit einem Glühkopf versehenen Temperaturregler an der letzten Kältebatterie aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die thermodynamischen Maschinen mit einem einzigen Zyklus arbeiten und Einrichtungen zum Umkehren der relativen Stellungen der Batterien und des Luftstromes aufweisen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch Klappen zun wahlweisen Umlenken von in den Raum eindringender Luft über Wärmebatterien oder Kältebatterien, und

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weiterhin dadurch gekennzeichnet , daß die aus dem Raum abgezogene Luft wahlweise über Kältebatterien oder Wärmebatterien umlenkbar ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtungen, mit denen die relativen Stellungen der Batterien und der Luftströme der thermodynamischen Maschinen mit einem einzigen Zyklus umkehrbar sind, die Verschiebung der Batterien gegenüber den festen, von den Strömungen eingenommenen Passagen steuern.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß die von angeschlossenen Antriebseinrichtungen beaufschlagten Batterien wechselseitig in Translationsrichtung verschiebbar sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Batterien mit einer angeschlossenen, Kabel und Rollen aufweisenden Anordnung in Translationsrichtung verschiebbar sind.

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