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DE3101776A1 - Verfahren zur gewinnung von waerme mittels einer waermepumpe unter verwendung eines fluessigkeitsgemischs als arbeitsmittel und luft als waermequelle - Google Patents

Verfahren zur gewinnung von waerme mittels einer waermepumpe unter verwendung eines fluessigkeitsgemischs als arbeitsmittel und luft als waermequelle

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Publication number
DE3101776A1
DE3101776A1 DE19813101776 DE3101776A DE3101776A1 DE 3101776 A1 DE3101776 A1 DE 3101776A1 DE 19813101776 DE19813101776 DE 19813101776 DE 3101776 A DE3101776 A DE 3101776A DE 3101776 A1 DE3101776 A1 DE 3101776A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
air
mixture
liquid
zone
heat
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE19813101776
Other languages
English (en)
Inventor
Alexandre 92380 Garches Rojey
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IFP Energies Nouvelles IFPEN
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by IFP Energies Nouvelles IFPEN filed Critical IFP Energies Nouvelles IFPEN
Publication of DE3101776A1 publication Critical patent/DE3101776A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F24F12/00—Use of energy recovery systems in air conditioning, ventilation or screening
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Description

DR. GERHARD RATZEL PATENTANWALT
Akte 4231
}■
6800 MANNHEIM t.
Seckenhalmer Straß« 36« · V (0621) 406315
Poittehack: Frankfurt/M. Nr. 8283-803 Bank: Daulicha Bank Minnhelm (BLZ 87070010) Nr. 7200066
Tal«gr.-Cod·: Qarpat Talax 163670 Para O
Institut Francais du Petrole 4-, Avenue de Bois-Preau
92502 Rueil-Malmaison/Prankreich
Verfahren zur Gewinnung von Wärme mittels einer Wärmepumpe unter Verwendung eines Flüssigkeitsgemischs als Arbeitsmittel und Luft als Wärmequelle
130051/0449
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Wärmepumpen, welche mit einem Gemisch von Arbeitsflüssigkeiten funkt ionieren.
Die Verwendung von Gemischen von Arbeitsflüssigkeiten in Wärmepumpen zur Entnahme von Wärme bei einem Temperaturintervall, wobei das in der Wärmepumpe verwendete Gemisch der Reihe nach in einer ersten Wärmeaustauschzone verdampft wird und eine steigende Temperaturentwicklung parallel zu einer abnehmenden Temperaturentwicklung in einer als Wärmequelle verwendeten äußeren Flüssigkeit während dieses Aus-
\einemy
tausches folgt, und Wärme inH ' Temperaturintervall gebildet wird, wobei das in der Wärmepumpe verwendete Gemisch der Reihe nach in einer zweiten Wärmeaustauschzone kondensiert und eine abnehmende Temperaturentwicklung parallel zu einer steigenden Temperaturentwicklung in der äußeren Flüssigkeit folgt, der diese Wärme übermittelt wird, ist Gegenstand des US-Patents Nr, 4 089 Ί86.
Durch dieses Verfahren wird der Wirkungskoeffizient von Wärmepumpen mehrfach verbessert, jedesmal wenn die Temperatur der Außenflüssigkeiten, mit denen der Wärmeaustausch durchgeführt wird, während dieses Austausch sich ändert; dieses Verfahren kann sowohl für industrielle Verwendungen als auch zur Raumheizung eingesetzt werden·
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-M
Der Fall der Raumheizung ist besonders wichtig und besonders geeignet zur Verwendung von Wärmepumpen, die mit Geraischen arbeiten, weil die ausgestauschte Wärme in diesem Fall immer mindestens teilweise Eigenwärme ist und der Wärmeaustausch Temperaturanderungen von Außenflüssigkeiten einsetzt, mit denen der Austausch bewirkt wird.
Die Verwendungen, welche im US-Patent Nr. 4- 089 186 beschrieben sind, betreffen Fälle, bei denen die Wärme in einem breiten Temperaturintervall gewonnen wird. Aus diesem Grund ist im US-Patent Nr. 4· 089 186 ein bevorzugtes Arbeitsschema beschrieben, welches darin besteht, daß man das in der Wärmepumpe zirkulierende Gemisch in zwei Stufen kondensiert, sO'-daß die Wärme in einem eingeschränkteren Temperaturintervall geliefert wird, als das Temperaturintervall, nachdem die Wärme gewonnen wird.
Andererseits ist Wasser die einzige Wärmequelle, die im US-Latent Nr. 4· 089 186 genannt ist. Es ist nämlich relativ einfach, die Verwendung des Gemisches bei einer mit Wasser als Außenflüssigkeit im Verdampfer und Kühler arbeitenden Wärmepumpe anzupassen. Im Falle einer Wärmepumpe, die mit einem Flüssigkeitsgemisch arbeitet, muß man - um von den Vorteilen, welche die Verwendung eines Gemisch im Leistungsbereich mitsich bringt, Gewinn zu haben - den Verdampfer und den Kühler nach einer Gegenstrom-Austauschweise arbeiten lassen.
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Wird dieser Austausch mit Wasser durchgeführt, so sind zahlreiche dex^-zeitverwendete Austauscher für diese Austauschweise geeignet und arbeiten schon unter solchen Bedingungen im Falle eines reinen Stoffes, z.B. Doppelröhren-Austauscher, sowie Plattenaustauscher.
Wenn dagegen die Wärmequelle Luft ist, so arbeitet der Verdampfer im allgemeinen nach einer Wärraeaustauschmethode mit gekreuzten Strömen. Die Arbeitsflüssigkeit zirkuliert in mit !Flügel versehenen Röhren, welche in Schichten angeordnet sind und durch welche die Luft mit einem Ventilator geblasen wird, wobei die Luftzirkulation senkrecht zu den Schichten ist.
Wegen der Unmöglichkeit, Wärme aus einer Wassermenge unter solchen Bedingungen zu gewinnen, daß das Wasser gefrierfähig ist, wird die Verdampfung des Gemisches nach dem US-Patent Nr. 4- 089 186 in einem Temperaturbereich von O bis 10O0C durchgeführt.
Im Falle von Wärmepumpen, welche Luft als Wärmequelle verwenden, führt der Betrieb des Verdampfers bei tiefer Temperatur - wegen des Wasserdampfgehaltes der Luft - zur Kondensation und zum Gefrieren des in der Luft enthaltenen Wassers. Dieses Problem stellt eine wichtige Beschränkung
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der Verwendungebedingungen von Wärmepumpen dar, welche Luft als Wärmequelle benutzen, falls nicht eine Enteisungsvorrichtung vorgesehen ist. Wenn eine Enteisungsvorrichtung angebracht wird, so führt dies notwendiger V/eise zur einer Verminderung der Leistungen der Wärmepumpe.
Wenn die Wärmepumpe mit einem reinen Stoff arbeitet, so ist die Temperatur der Arbeitsflüssigkeit, welche abgedampft wird, praktisch gleichförmig und sobald diese Temperatur einige Grad unter O0C fällt, wird das in der feuchten Luft, welche durch den Verdampfer geblasen wird, enthaltene Wasser kondensiert und gefriert auf jeder Oberfläche der Röhre.
Es wurde nun gefunden, daß - im Gegensatz zu dem im US-Patent Nr. 4 089 186 Geschilderten - die Verwendung eines Gemisches vorteilhaft seinkann, wenn die Wärmequelle Luft ist, insbesondere unter solchen Bedingungen, wo sich Eis bilden kann, d.h. wenn die Arbeitsflüssigkeit total oder teilweise unterhalb O0C während mindestens einem Teil der gesamten Betriebsdauer verdampft wird.
Bei der Erfindung arbeitet man nach dem in Figur 1 gezeigten prinzipiellen Schema. Das Gemisch der Arbeitsflüssigkeiten tritt durch die Leitung 1 ein, zirkuliert durch den Raum E1, im Gegenstrom zu einer Luftmenge (welche in der Richtung a > a1 im Innern des Zirkulationsrohres G zirkuliert),
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-γ-u.
die durch den Ventilator V mitgeschleppt wird und tritt über die Leitung 2 aus. Der Austauschraum E1 wird durch Röhren gebildet, in denen das Gemisch zirkuliert, oder durch Platten, zwischen denen das Gemisch zirkuliert und welche einen geschlossenen Raum abgrenzen, wobei dieser Raum eine Austauschfläche mit der Außenluft hat. Ba der Wärmeübertragungskoeffizient an der Luftseite wesentlich geringer ist, als an der Seite des Gemisches, ist die Austauschfläche vorzugsweise mit Hügeln und / oder Nadeln versehen.
Wenn die feuchte Luft auf der Austauschfläche ankommt, wird sie der Reihe nach abgekühlt undwenn die Temperatur im ganzen oder lokal gleich der Tautemperatur ist (Bereich A auf dem Schema der Figur 1), beginnt das Wasser zu kondensieren. Dieses kondensierte Wasser wird entsprechend der Kondensation der Reihe nach aus dem Austauscher entfernt· Aus diesem Grund ist eine Anordnung bevorzugt, in der das Gemisch und die Luft in horizontaler Achse zirkulieren, wobei das V/asser durch die Schwerkraft entlang der Austauschfläche abfließt und im Zurückhaltebecken R gesammelt wird, von dem es durch die Leitung 3 entfernt wird. Es ist wichtig, daß man vermeidet, daß das kondensierte Wasser zu den kälteren Zonen des Verdampfers fließen kann, d.h. zum Eingang des Gemisches, und eine vertikale Anordnung, bei der das Gemisch unten ankommt und das kondensierte V/asser auf der Austauschfläche bis zum unteren Teil derselben fließen kann, sollte ausgeschlossen sein.
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Eine vertikale Anordnung bei der das Gemisch oben
Junten ankommt ^
und die Luft " ist weniger hinderlich. Jedoch ist eine derartige vertikale Anordnung weniger günstig als die horizontale Anordnung, da das abfließende Wasser sich im Kontakt mit der Luft bei einer höheren Temperatur befindet, so daß die Luft sich mit Wasser sättigt, wodurch die Menge des mitgeschleppten Wasserdampfs und daher die Stärke der Vereisung steigt·
Das kondensierte Wasser wird der Reihe nach im Bereich A bis zum Bereich B gewonnen, wo die Temperatur insgesamt oder lokal unterhalb O0C sinkt. Außerhalb des Bereichs B erfolgt Vereisung.
Jedoch ist die Menge des niedergeschlagenen Eises wesentlich geringer als diejenige Menge Eis, die auf einem üblichen Verdampfer niedergeschlagen wird, der mit einem reinen Stoff als Arbeitsflüssigkeit betrieben wird.
Falls man z.B. eine Luftmenge aus einem Raum, dessen relative Feuchtigkeit 70 # bei einer Temperatur von 2O0C beträgt und welche 300 kg/Stunde trockener Luft ausmacht, auf einen Verdampfer leitet, den sie bei O0C verläßt, so bilden sich etwa 2,3 kg/Stunde Eis im Falle eines üblichen Verdampfers.
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■/■/if.
Bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Verdampfers dagegen bildet sich praktisch kein Eis oder nur eine sehr geringe Menge,
Die Enteisung kann durch verschiedene bekannte Methoden gewährleistet werden, z.B. durch Erhitzen mit elektrischen Widerständen oder durch Umkehr des Kreislaufes. Der Antrieb für die Enteisung kann z.B. durch einen Eisdetektor oder durch einen Impulsgenerator in regelmäßigen Abständen erfolgen, wobei die Enteisung nur dann effektiv erfolgt, wenn der Verdampfungsdruck geringer als ein bestimmter Wert ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Verdampfers der erfindungsgemäßen Wärmepumpe besteht darin, daß man das Gemisch in mit Flügeln oder Spitzen versehenen Röhren zirkulieren läßt, so daß die Austauschfläche an der Luftseite größer wird. Ein Beispiel für die Anordnung dieser Rohren ist in Figur 2 dargestellt.
Das Gemisch, welches die Arbeitsflüssigkeit darstellt, kommt durch den Verteiler B an, welcher es auf die Leitungen 4, 5» 6, 7 und 8 verteilt. Jede dieser Leitungen mündet in ein Rohr ein, welches Teil einer mit Flügeln versehenen Röhrenbatterie ist. Das Gemisch zirkuliert dann parallel in den in der Batterie angeordneten Röhren, welche so angeordnet sind, daß das Gemisch insgesamt im Gegenstrom zur Luft-
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menge läuft, deren Richtung und Orientierung durch den Pfeil 14 in Figur 2 angegeben ist.
Die Mischung, welche über die Leitung 4 ankommt, zirkuliert so in dem oberen Rohr, welches Teil der ersten Batterie ist, wird von dieser ersten Batterie über die Leitung 9 abgezogen, und in das obere Rohr der zweiten Batterie geleitet, von wo es über die Leitung 10 entnommen und in das obere Rohr der dritten Batterie geleitet wird, von wo es über die Leitung 11 entnommen und in das obere Rohr der vierten Batterie geleitet wird, von wo es über die Leitung 12 entnommen wird, welche mit der allgemeinen Verdampfungsleitung 13 in Verbindung steht, durch welche das Dampfgemisch zur Ansaugung des Kompressors geleitet wird. Das Gemisch, welches über die anderen Leitungen 5» 6, 7 und 8 ankommt, läuft ebenfalls insgesamt im Gegenstrom zur Luftmenge, welche sich in den parallelen Ebenen befindet, wie dies in Figur 2 gezeigt wird.
Andere Montageanordnungen der Röhren nach verschiedenen Serien/Parallel-Methoden können vorgesehen sein, ausgehend von der Anordnung (a) in Figur 2, bei der alle Röhren, welche in derselben Ebene angeordnet sind und in denen das gesamte Gemisch im Gegenstrom zur Gasmenge zirkuliert, parallel mit ebensoviel Zuführleitungen beschickt sind, welche in den Verteiler D münden, bis zur Vorrichtung (b), bei der alle Röhren in Serie angeordnet sind.
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-Y-
Ganz allgemein können sich die Röhren in m Ebenen befinden, die horizontal qualifiziert sind, und η Ebenen, die vertikal qualifiziert sind, bezogen auf die Darstellung der Figur 2. Jede andere Orientierung, die durch eine beliebige Rotationsbewegung im Raum erhalten wird, ist möglich; jedoch ist die vorstehende Anordnung, welche einer Zirkulation der Luft in horizontaler Richtung entspricht, aus den oben angegebenen Gründen bevorzugt.
Wenn das V/asser, welches in der durch den Verdampfer geleiteten Luft enthalten ist, sich kondensiert, so fließt es entlang den Flügeln und wird im Rückhaltegefäß gesammelt.
Es ist möglich, in jeder vertikalen Ebene Röhren in einer Serie von Gruppen aus ρ Röhren anzuordnen, wobei ρ eine ganze Zahl von 1 - m ist; diese Gruppen von ρ Röhren werden mit k Zuführleitungen beschickt, wobei m gleich
ρ χ k ist· Jede Gruppe von ρ Röhren in einer vertikalen Ebene ist verbunden mit einer Gruppe von ρ Röhren in einer folgenden vertikalen Ebene, nach einer Anordnung, welche das Gemisch insgesamt im Gegenstrom zur Luftmenge zirkulieren läßt. So entsprechen die Anordnungen (a) und (b) speziellen Fällen dieses allgemeinen Falls, undzwar entspricht die Anordnung &)p«1,k=m und die Anordnung (b) ρ » m, k = 1.
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- /- Ah
Eine andere Lösung besteht darin, daß man ein Rohr mit Flügeln oder Spitzen verwendet, welches in einer Schlange gerollt ist, entsprechend einem Basisbereich von beliebiger geometrischer Form, wobei die Luftmenge im Gegenstrom zur mittleren Zirkulationsrichtung der Flüssigkeitsmischung entlang der Schlangenachse geleitet wird. Das Schema von Figur 3 zeigt eine derartige Anordnung. Nach diesem Schema kommt die Mischung über die Leitung 15 an, zirkuliert im Inneren des Rohres 16 und wird über die Leitung 17 abgezogen. Die Pfeile 18 und 19 zeigen die Zirkulationsrichtung der Luft an, wobei der Lufteintritt durch den Pfeil 18 und der Austritt durch den Pfeil 19 angegeben ist· Eine derartige Schlange kann auch aus mehreren Röhren gebildet werden, die parallel angeordnet und in der gleichen Achse gewickelt sind.
Die Schlange kann horizontal oder vertikal angeordnet werden, wobei die horizontale Anordnung aus den oben ange-•gebenen Gründen bevorzugt ist. Das kondensierte Wasser fließt durch Schwerkraft ab und wird gesammelt sowie entfernt.
Durch den Kühler der Wärmepumpe kann man Wärme an die äußere Erhitzungsflüssigkeit liefern, welche Wasser oder Luft sein kann. Wenn die Außenflüssigkeit Wasser ist, ist es möglich, z.B. einen Austauscher mit Doppelrohr zu verwenden,
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irvdem die Zirkulation des Gemisches und des Wassers aus dem Wärmekreislauf im Gegenstrom arbeiten. Wenn die Außenflüssigkeit Luft ist, ist es möglich, einen Austauscher zu verwenden, dessen allgemeine Konzeption die im Schema von Figur 3 ist.
Drei prinzipielle Fälle sind je nach der Art der Luftquelle vorgesehen:
1) Wärmegewinnung aus Luft, die aus einem erwärmten Raum entnommen wurde
Ein Beispiel für die Anordnung der Wärmepumpe ist in Figur 4· dargestellt. Die Luft kommt über den Mantel G1 im Verdampfer E2 an und wird über den Ventilator VEI abgezogen.
Die Mischung der Substanzen, welche die Arbeitsflüssigkeit darstellen, kommt im flüssigen Zustand über die Leitung 19 an, zirkuliert im Gegenstrom zum Luftstrom und tritt als Dampf über die Leitung 20 aus. Das kondensierte Wasser wird im Rückhaltegefäß R1 gesammelt und über die Leitung 19 abgezogen.
Das Dampfgemisch wird im Kompressor K1 komprimiert und kommt über die Leitung 21 im Kühler E3 an.
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In diesem Schema kommt die Außenluft über die Leitung G2 an, zirkuliert im Gegenstrom zum Gemisch und wird über den Ventilator VE2 zu dem zu erhitzenden Raum abgeführt.
Das kondensierte Gemisch verläßt den Kühler über die Leitung 22 und wird im Entspanner D1 entspannt·
In der Mitte der Saison kann die Wärmepumpe nur einen Teil der Zeit arbeiten, wobei die Heizungsleistung, welche sie gewährleistet, durch die relative Dauer der Arbeite und Stillstand-Perioden moduliert wird· In diesem Fall kann die Mischung die Rolle eines Wärmeträgers spielen, mit welchem man die Wärme, welche in der aus einem erwärmten Raum entnommenen Luft enthalten ist, durch Austausch mit der Außenluft gewinnen kann. Diese Möglichkeit ist im Schema von Figur 4- vorgesehen. Wenn der Kompressor K1 angehalten ist, lassen die Brei^wtegeventile VDI, VD2, VD3 und VIW- das Gemisch mittels des Zirkulators GH unter Vermeidung des Kompressors ΚΊ und des Entspanners DI zirkulieren. Diese Lösung ist möglich, weil die Temperatur des Gemisches der Temperatur der Luft, mit der der Austausch bewirkt wird, folgen kann; dies steht im Gegensatz zum Vorgang, wenn die Arbeitsflüssigkeit ein reiner Stoff ist.
Die Enteisung erfolgt in diesem Fall durch einfaches Anhalten der Wärmepumpe und / oder Zirkulation des Gemisches.
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-y/'-ti
In diesem Pall wird nämlich die extrahierte Luft nicht mehr abgekühlt und erreicht die vereisten Teile bei einer Temperatur von etwa 200C·
Die Funktion einer derartigen Wärmepumpe wird in den folgenden Beispielen näher erläutert:
Beispiel 1 ;
, nr/Stunde, Man leitet eine Menge von 250 ' Luft, die aus den zu erhitzenden Räumen stammt, mit Hilfe des Ventilators VE1 über den Verdampfer. Diese Luft kommt mit 200G an und verläßt den Verdampfer mit 40C. Die verwendeten Mischung hat die folgende molare Zusammensetzung:
Trichlormonofluormethan (R-11) = 0,05 Monochlordifluormethan (R-22) = 0,84
Monochlortrifluormethan (R-1J) = 0,11 Die Mischung erreicht den Verdampfer E2 bei einer Tem~ peratur von -5,8°C und verläßt ihn mit einer Temperatur von 10,40C. Die Vereisung erscheint nur auf den kältesten Teilen des Verdampfers. Diese Vereisung wird durch periodischen Stillstand der Zirkulation des Gemisches behandelt und das Wasser in dem Gefäß R1 gesammelt sowie über die Leitung 21 abgezogen.
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Die Mischung erreicht den Kühler E3 bei einer Temperatur
ihn
von 56,4- C und verläßt bei einer Temperatur von 10,5 C.
Die Außenluft wird mit Hilfe des Ventilators VE2 auf den Kühler geblasen. Sie kommt bei einer Temperatur von O0C an und verläßt ihn bei einer Temperatur von 18,3°C Die mechanische Leistung , welche vom Kompressor für die Kompression des Gemisches verbraucht wird, beträgt 196 W.
Durch Verwendung des Gemisches kann man eine Wärmepumpe realisieren, deren Leistungen befriedigend sind, auch wenn die Ausstoßtemperatur niedrig ist. Hierdurch kann man die Leistung der Wärmepumpe steigern und die Leistung der Zusatzheizung vermindern. Dagegen muß man, wenn das konden sierte Wasser unterhalb O0C gefriert, einen Enteisungsmeclftiismus vorsehen. Der bevorzugte Enteisungsmechanismus besteht in diesem Fall darin, die Zirkulation der Mischung anzuhalten, entweder periodisch oder entsprechend den Anga ben eines Eisdetektors, in dem man das Eis durch Passage von Luft schmelzen läßt, welche bei einer Temperatur entnommen wird, die nahe der Temperatur am Ausgang der erwärm ten Räume liegt, d.h. etwa 200C.
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-γ-Ii
2) Wärmegewinnung aus Außenluft
In Figur 5 ist ein Beispiel für die Anordnung einer Wärmepumpe dargestellt, die mit einem Gemisch von Flüssigkeiten arbeitet und die Wärme aus der Außenluft entnimmt. In diesem Beispiel ist die Erwärmung der Räume durch einen Warmwasserkreislauf sichergestellt.
Die Außenluft wird mit einem Ventilator VE3 in den Verdampfer E4- geleitet, wobei sie den Hantel G3 passiert. Die Mischung kommt im Verdampfer über die Leitung 23 an, verläßt ihn in die Leitung 24 und wird im Kompressor K2 komprimiert, verläßt diesen über die Leitung 25» wird im Kühler E5 kondensiert und über die Leitung 26 zum Entspanner D2 geleitet.
Das Wasser, welches im Verdampfer kondensiert, wird im Behälter R2 gesammelt und über die Leitung 29 abgezogen.
Das Wasser des Heizkreislaufes kommt über die Leitung 27 an, wird erhitzt, wobei seine Wärme im Gegenstrom mit dem Gemisch ausgetauscht wird, welches kondensiert, und über die Leitung 28 abgeleitet wird. Die Enteisung des Verdampfers kann nach verschiedenen bekannten Methoden erfolgen, wie dies bereits erwähnt wurde:
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Durch elektrischen Widerstand, Umkehr des Kreislauf etc. . Falls die Heizflüssigkeit Wasser ist, ist es auch möglich, eine periodische Enteisung mit einem Kreislauf durchzuführen, der als Abzweigung am Heizkreislauf angeordnet ist. Die Enteisung erfolgt in diesem Fall z.B. in^dem man eine kleine Menge V/asser, das auf die höchstmögliche Temperatur erhitzt wurde, in einemRohr mit geringem Querschnitt zirkulieren läßt, welches mit den Flügeln des oder der Rohre verbunden ist, in welchem bzw. in welchen die Mischung zirkuliert. Dieses Rohr kann z.B. durch Verlöten oder Verleimen einfach verbunden oder fixiert werden. Es ist auch möglich, den Verdampfer direkt zu befeuchten, wodurch die Erwärmung des Verdampfers im direkten Kontakt während der Enteisungsperiode gewährleistet wird. Diese Methode kann den Nachteil haben, daß man erneut Wasser in den Heizkreislauf einführen muß, um die Verluste durch Verdampfen zu vermeiden. Um diese Probleme auszuschließen, kann man auch eine Reserve von kondensiertem Wasser vorsehen, welche im Behälter R2 gesammelt ist, und den Verdampfer mit einem Kreislauf dieses Wassers benetzen, welches vorher durch Austausch mit dem Wasser des Heizkreislaufes erwärmt wurde.
Während der Enteisungsperiode wird die Temperatur des Heizkreislaufes entweder mit einer Heizung durch elektrischen Widerstand oder durch Verbrennung eines Brennstoffs wie z.B. einem flüssigen oder gasförmigen Kohlenwasserstoff, aufrechterhalten, welche mit der Heizung durch Wärmepumpe
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verbunden ist, oder durch den einfachen Wärmeleitwiderstand des Heizkreislaufes, der vorzugsweise in diesem Fall eine ausreichend große Reserve von heißem Wasser enthält, so daß die Temperatur des Heißwassers des Heizkreislaufes während der Anhaltedauer der Heizpumpe praktisch konstant gehalten wird.
Die in Figur 5 schematisch gezeigte Anordnung der Heizpumpe ist nur ein Beispiel und es können offensichtlich weitere Fälle vorgesehen werden· Es ist z.B. möglich, eine mit einem Flüssigkeitsgemisch arbeitende Wärmepumpe, welche die Wärme der Außenluft entnimmt, einer Erwärmung mit Heißluft anzupassen, wobei die Enteisung durch verschie-* dene bekannte Methoden sichergestellt werden kann.
3) Wärmegewinnung aus Luft, die einem Baum entnommen wurde, und aus Außenluft.
Die Wärmegewinnung mit einem Verdampfer kann auch mit einem Gemisch von Luft, welche einem Raum entnommen wurde, und Außenluft betrieben werden. In diesem Fall kann die Raumluft mit der Außenluft vor der Passage durch den Verdampfer gemischt werden. Eine besonders vorteilhafte andere Anordnung besteht darin, daß man nach dem in Figur 6 gezeigten Schema arbeitet.
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Das Gemisch kommt über die Leitung 29 in einen ersten Teil E6 des Verdampfers an, zu dem das Gemisch aus Raumluft und Außenluft geleitet wird; dann geht es in einen zweiten Teil E7 des Verdampfers, welcher bei erhöhter Temperatur arbeitet und in dem seine Wärme mit der Raumluft allein ausgetauscht wird· Die Raumluft wird zugelassen, in^dem man die Klappen VOI öffnet, zirkuliert im Mantel G4 im Gegenstrom zum Gemisch, welches verdampft, wird mit der Außenluft gemischt, welche über den Mantel G6 ankommt und unter öffnung der Platten V02 zutritt, worauf das Gemisch aus Außenluft und Raumluft abgekühlt wird, in^dem man es im Gegenstrom zum Gemisch zirkulieren läßt, welches im Verdampfer E6 verdampft.
Das Dampfgemisch verläßt den Verdampfer E7 über die Leitung 30 und wird mit dem über die Leitung y\ ankommenden Dampfgemisch gemischt. Das auf diese Weise gebildete Dampfgemisch wird im Kompressor K3 komprimiert und über die Leitung 33 zum Kühler E8 geleitet, bei dem ein Gemisch aus Außenluft und Innenluft eintrifft. Es kondensiert der Reihe nach und das erhaltene Flüssig/Dampf-Gemisch tritt über die Leitung 34· aus und wird zum Kühler E9 geleitet, den es über die Leitung 35 verläßt·
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Die Außenluft wird zugelassen, in^dem man die Klappen VO3 öffnet, zirkuliert im Mantel G5 im Gegenstrom zum Gemisch, welches kondensiert, wird mit der Innenluft gemischt, die über den Mantel G7 zutritt und unter öffnung der Klappen VW zugelassen wird, worauf das Gemisch aus Außenluft und Innenluft erneut erhitzt wird, in-tiera man es in Gegenstrom mit dem Gemisch zirkulieren läßt, welches im Kühler E8 kondensiert.
Das flüssige Gemisch verläßt den Kühler E9 über die Leitung 35 und fließt zum Austauscher E1O, intern es vor - abgekühlt wird. Es tritt über die Leitung 36 aus. Ein erster Teil wird dann im Entspanner D3 entspannt und im Austauscher EiO verdampft, um die Vor-Abkühlung des Geraisches zu bewirken, die im Austauscher EIO erfolgt. Der verdampfte Teil verläßt den Austauscher EIO über die Leitung y\ und wird mit dem aus dem Verdampfer E 7 stammenden und über die Leitung 30 ankommenden Dampf vermischt. Der nicht-entspannte Teil der flüssigen Mischung im Entspanner D3 wird im Entspanner IW-entspannt und die entspannte Mischung über die Leitung 29 zum Verdampfer E6 geleitet.
Die Funktion einer derartigen Wärmepumpe ist im folgenden Beispiel näher erläutert.
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Beispiel 2
Man schickt eine Menge von 250 nr/Stunde Luft, die dem zu erwärmenden Raum entnommen wurde, über den Verdampfer E7. Diese Luft kommt bei 200C an und verläßt den Verdampfer E7 mit 1o,2°C. Sie wird dann mit einer Menge von 500 nr/Stunde Außenluft gemischt, die bei 15°C ankommt, und das auf diese Weise erhaltene Luftgemisch wird auf den Verdampfer E6 geleitet, den es mit 4-0C verläßt.
Das verwendete Gemisch hat die folgende molare Zusammensetzung:
Trichlormonofluormethan : 0,0?
Monochlordifluormethan : 0,82 Monochlortrifluormethan : 0,11
Dieses Gemisch erreicht den Verdampfer E6 bei einer Temperatur von -8,10C und verläßt ihn bei einer Temperatur von 30C Die Verdampfung wird im Verdampfer E7 fortgesetzt, den das Gemisch bei einer Temperatur von 12,5°C verläßt.
Das kondensierte Wasser wird der Eeihe nach während seiner Bildung gesammelt und nur ein Teil des Verdampfers E6 ist vereist.
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Die Enteisung wird betrieben, intern man die Wärmepumpe periodisch anhält und die Klappen für den Zusatz von Außenluft schließt, wodurch das Eis durch Passage der Innenluft schmelzen kann, welche eine Temperatur nahe der Temperatur am Ausgang der erwärmten Räume hat, d.h. 200C.
Die Mischung wird bis zu einem Druck von 13 atm komprimiert und kondensiert der Reihe nach in den Kühlern E8 und E9. Man leitet eine Menge von 250 nr/Stunde Außenluft über den Kühler E9« Diese Außenluft kommt mit 15°C an und verläßt den Kühler E9 mit einer Temperatur von 2?,3°Ο. Sie wird dann mit einer Menge von 500 mVStunde Innenluft aus den zu erwärmenden Räumen gemischt, welche mit 2O0C ankommt; die auf diese Weise erhaltene Mischung wird über den Kühler E8 geleitet, den sie mit 34,20C verläßt.
Das kondensierte Gemisch verläßt den Kühler E9 mit einer Temperatur von 26,70C· Es wird auf dem Austauscher E 10 bis zu einer Temperatur von 1,9°C heruntergekühlt· Ein Teil, der 15# der Gesamtmengeausmacht, wird im Entspanner D3 entspannt und im Austauscher EIO so verdampft, daß eine Unterkühlung gewährleistet wird. Der verbleibende Teil wird im Entspanner IW- entspannt und über die Leitung 29 zum Verdampfer E6 geleitet·
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Die in diesem Beispiel angegebenen Zahlen dienen nur zur Illustration und es können verschiedene Reaktionsbedingungen angewandt werden.
Die Mengen der extrahierten Luft und der Außenluft sowie die Mengen der Außenluft und der Innenluft können in weitem Bereich variieren und man kann alle möglichen speziellen Fälle antreffen, insbesondere Fälle mit einem Verdampfer, der nur mit Außenluft oder nur mit extrahierter Luft arbeitet, oder auch Fälle mit einem Kühler, der nur mit Außenluft oder nur mit Innenluft arbeitet· Die Bezeichnung "Innenluft" unterscheidet sich nicht wesentlich von der .Bezeichnung "extrahierte Luft"} der Unterschied der Bezeichnung betrifft nur die endgültige Bestimmung dieser Luft, je nach dem, ob sie nach außen ausgestoßen wird (extrahierte Luft) oder nach dem Erwärmen in die zu erhitzenden Räume geleitet wird (Innenluft)·
Auch kann der Kühler dazu verwendet werden, das Wasser als Heizflüssigkeit anstelle von Luft zu erhitzen· Der letztere Fall kann besonders interessant sein, wenn die Wärmepumpe in Verbindung mit einem Heizkessel arbeitet, der einen flüssigen, festen oder gasförmigen Heizstoff verbraucht} diese Situation findet sich insbesondere dann, wenn die Heizpumpe zur Heizung eines Wohnhauses dient, welches schon eine klassische Warmwasser-Heizinstallation besitzt·
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Drei Typen von Heizmitteln wurden untersucht: Innenluft, Außenluft und die Kombination von Innenluft + Außenluft·
Die Verwendung eines Gemisches ist besonders vorteilhaft, wenn die Wärme aus der Innenluft oder einer Kombination von Außenluft und Innenluft gewonnen wird. In einem solchen Fall nämlich ist die Entwicklung der Temperatur der Luft, welche die Rolle der Wärmequelle spielt, sehr wichtig. In diesem Fall besteht die bevorzugte Enteisungsmethode darin, daß man die Zirkulation der Mischung anhält, wobei auch andere Enteisungsmethoden möglich sind, z.B. elektrischer Widerstand oder Umkehr des Kreislaufes.
Im allgemeinen kann die Wärmepumpe unter Verwendung eines Flüssigkeitsgemisches in verschiedene Heizsysteme integriert werden, welche in Assoziation mit der Wärmepumpe sehr verschiedene Heizmethoden enthalten, z.B. durch elektrischen Widerstand oder einen Heizkessel, der mit einem flüssigen, festen oder gasförmigen Heizstoff betrieben wird, oder auch Solarzellen etc. ·
Die verwendeten Gemische können Mischungen aus zwei, drei (oder mehr) Bestandteilen (verschiedene chemische Verbindungen) sein. Die Bestandteile des Gemisches sind z.B. halogenierte Kohlenwasserstoffe vom Typ "Freon" mit ein oder zwei Kohlenstoffatomen, wie Trichlormonofluormethan (R-TI ),
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- 3/- IA
Mchlordifluormethan (R-12), Monochlortrifluormethan (R-13), Konochlordifluormethan (R-22), 1,1,2-Trichlor-1,2,2-Trifluoräthan (R-113), 1,2-Dichlor-1,1,2,2-Tetrafluor-Äthan (R-114), Kohlenwasserstoffe, wie Propan oder Butan oder auch andere organische Flüssigkeiten, die Alkohole oder Ester. Die Verwendung eines Azeotrops allein ist ausgeschlossen, da es in einem Temperaturbereich keinen Zustandswechsel gestattet.
Die Reaktionsbedingungen werden im allgemeinen so gewählt, daß der Druck des Gemisches im Verdampfer höher ist als der Atmosphärendruck und der Druck des Gemisches im Kühler keine übermäßigen Werte erreicht, z.B. höher als 30 bar. Ein einziger Druck in der gesamten Verdampfungszone ist empfehlenswert.
Als Beispiele für bevorzugte Reaktionsbedingungen seien die folgenden genannt: Die Luft wird in die Verdampfungszone bei einer Temperatur von -10 bis 30°C eingeführt und dieser Zone bei einer Temperatur von mindestens 5° weniger d.h. bei +10 bis - 20°C entnommen. Desgleichen kann die zu erwärmende Flüssigkeit (z.B. Luft oder V/asser) in die Kondensationszone bei einer Temperatur von -10 bis +400C eingeführt und daraus bei einer Temperatur von mindestens 50C mehr, d.h. zwischen 10 und 600C entnommen werden.
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.Us ist vorteilhaft, bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens den Wärmeaustausch im Verdampfer nach einer Austauschmethode durchzuführen, welche die Zirkulation mit gekreuzten Strömen und einem Gegenström kombiniert· So ist es möglich die Verwendung eines nicht-azeotropischen Gemisches auszunutzen, wobei man den Leistungskoeffizienten verbessert, den Verlust der Charge an die Luft beschränkt und öfen Raumbedarf vermindert. Dies kann z.B. realisiert werden, in^dem man Batterien in Serie anordnet, welche individuell senkrecht zur Luftzirkulation plaziert sind und insgesamt vom Gemisch im Gegenstrom zum Luftstrom geschlossen werden, oder auch in-dem man das Gemisch durch eine Serie von Spiralen in Gegenstrom zur Luftzirkulation leitet, wobei jede der Spiralen in einer Ebene praktisch senkrecht zur Luftzirkulation angeordnet ist. Es ist in diesem Falle wichtig, jeden Wärmeübergang durch Leitung zwischen diesen Spiralen oder Batterien zu vermeiden.
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Claims (1)

  1. Patentansprüche
    Verfahren zur Gewinnung von Wärme mittels einer Wärmepumpe,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß man eine Arbeitsflüssigkeit in einem geschlossenen Kreislauf der Reihe nach durch eine Verdarnpfungszone, eine !Compress ions zone, eine Kondensations zone und eine Entspannungszone leitet, wobei diese ArbeitsflüBsigkeit aus einem nicht-azeotropischen Gemisch von mindestens zwei verschiedenen Komponenten besteht, eine erste äußere Flüssigkeit, die als Wärmequelle verwendet wird, im Wärmeaustauschkontakt mit der Arbeitsflüssigkeit im Verdampfungsstrom und im Gegenstrom zur Arbeitsflüssigkeit durch die Verdampfungszone zirkulieren läßt, eine zweite äußere Flüssigkeit, die als Wärmerezeptor verwendet wird, im Wärmeaustauschkontakt mit der Arbeitsflüssigkeit im Kondensationsstrom und im Gegenstrom zur Arbeitsflüssigkeit durch
    die Kondensationszone zirkulieren läßt, die Arbeiterin einem;
    flüssigkeit l ersten Druckniveau in der gesamten Ver-
    j.n eineny
    dpEjsf ungs zone und mindestens k 'zweiten Druckniveau in der Kondensationszone aufrechterhält, wobei das zweite dieser Niveaus höher liegt als das erste, feuchte Luft, welche mindestens einen Teil der äußeren Flüssigkeit darstellt, im Gegenstrom zur Arbeitsflüssigkeit durch die Verdampfungszone zirkulieren läßt, wobei man in
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    der Verdampfungszone solche Temperaturbedingungen aufrechterhält, daß die feuchte Luft Eis auf einem ersten Bereich der Verdampfungszone sowie Wasser auf einem folgenden Bereich dieser Verdampfungszone niederschlägt, und das so niedergeschlagene Wasser entfernt, ohne daß es mit dem ersten Bereich der Verdampfungszone in Kontakt kommt.
    2. Verfahren gemäß Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Verdampfungszone vom Flüssigkeitsgemisch in völlig horizontaler Richtung durchströmt wird und daß man das V/asser entfernt, in^-dem man es nach und nach bei seiner Bildung vertikal durch Schwerkraft fließen läßt.
    5- Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
    daß man die Wärmepumpe periodisch anhält und die vereiste Zone enteist, in^dem man extrahierte Luft, die aus den zu erwärmenden Stellen stammt, darüberleitet.
    4. Verfahren gemäß Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
    daß man die Wärmepumpe periodisch anhält und die vereiste Zone enteist, in dem man die Wärmeaufnahmeflüssigkeit darüberleitet.
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    5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
    daß man das Flüssigkeitsgemisch in der Verdampfungszone in Gegenstromwarmeaustauschkontakt
    bringt, undzwar zunächst mit einer ersten Flüssigkeit (A), dann mit einer zweiten Flüssigkeit (B), wobei die Flüssigkeit (B) Luft ist, die aus einer relativ warmen Stelle extrahiert wurde, während die Flüssigkeit (A) ein Gemisch aus Außenluft und Flüssigkeit (B) ist, nachdem diese dem oben genannten Wärmetausch unterworfen wurde.
    6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet,
    daß das Flüssigkeitsgemisch in der Kondensationszone in Gegenstromwärmeaustauschkontakt gebracht wird, undzwar zunächst mit einer ersten Flüssigkeit (A'1 ), dann mit einer zweiten Flüssigkeit (B1), wobei die Flüssigkeit (B1) relativ kalte Außenluft und die Flüssigkeit (A1) ein Gemisch aus Luft, welche von einer relativ warmen Stelle stammt, und der Flüssigkeit (B1) ist, nachdem diese dem oben genannten Wärmeaustausch unterworfen wurde.
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    7· Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Luft in die Verdampfungßzone bei einer Temperatur von -10 bis 3O0C eingeleitet wird und aus dieser Zone bei einer Temperatur entfernt wird, die mindestens 50C tiefer ist und zwischen +10° und - 200C liegt.
    8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet,
    daß das entfernte Kondensationswasser wieder erwärmt und periodisch als Enteisungsmittel verwendet wird·
    9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
    daß das Flüssigkeitsgemisch nach der Passage durch die Kondensationszone einer Vor-Abkühlung durch Wärmeaustausch mit einem Teil des der Entspannungszone entnommenen Flüssigkeitsgemisches unterworfen wird, wobei dieser Teil anschließend direkt in die Kompressionszone geleitet wird, ohne daß man ihn durch die Verdampf ungs zone leitet·
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    10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet,
    daß die Verdampfungszone eine Kombination von gekreuzten Strömen und Gegenstrom zwischen Luft und Arbeitsflüssigkeit ist.
    11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 1o, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Verdampfungszone aus mehreren verschiedenen und nicht-aneinanderstoßenden Röhrenbatterien besteht, wobei die Röhren einer Batterie untereinander in parallelen Ebenen und senkrecht zur Richtung der Luft welche die Wärmequelle darstellt, angeordnet sind, und diese Batterien in Serie von dem Flüssigkeitsgemisch so durchströmt werden, daß die Gesamtzirkulation dieses Flussigkextsgemischs im Gegenstrom zu derjenigen der Luft erfolgt.
    12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
    daß der Verdampfer aus mindestens einem mit Flügeln versehenen Rohr besteht, das zu einer Schlange gerollt und in horizontaler Achse angeordnet ist, und daß das Gemisch im Gegenstrom zur Luft zirkuliert, welche die Wärmequelle darstellt, wobei das Gemisch an dem Ende eingeleitet wird, an dem die Luft entfernt wird, während es an dem Ende entfernt wird, an dem die Luft
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    eingeleitet wird.
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DE19813101776 1980-01-24 1981-01-21 Verfahren zur gewinnung von waerme mittels einer waermepumpe unter verwendung eines fluessigkeitsgemischs als arbeitsmittel und luft als waermequelle Withdrawn DE3101776A1 (de)

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DE1946699C (de) Verfahren und Anlage zur Klimatisierung von Räumen hoher Luftfeuchte

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