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WO2008017431A1 - Wärmepumpe - Google Patents

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WO2008017431A1
WO2008017431A1 PCT/EP2007/006902 EP2007006902W WO2008017431A1 WO 2008017431 A1 WO2008017431 A1 WO 2008017431A1 EP 2007006902 W EP2007006902 W EP 2007006902W WO 2008017431 A1 WO2008017431 A1 WO 2008017431A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
heat
heat pump
pump according
evaporator
laval
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.)
Ceased
Application number
PCT/EP2007/006902
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Edmund F. Nagel
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.)
DELUNAMAGMA INDUSTRIES GmbH
Original Assignee
DELUNAMAGMA INDUSTRIES GmbH
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
Priority claimed from AT13372006A external-priority patent/AT503993A1/de
Priority claimed from AT14062006A external-priority patent/AT504156A1/de
Application filed by DELUNAMAGMA INDUSTRIES GmbH filed Critical DELUNAMAGMA INDUSTRIES GmbH
Publication of WO2008017431A1 publication Critical patent/WO2008017431A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B1/00—Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle
    • F25B1/06—Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle with compressor of jet type, e.g. using liquid under pressure
    • F25B1/08—Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle with compressor of jet type, e.g. using liquid under pressure using vapour under pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B27/00—Machines, plants or systems, using particular sources of energy
    • F25B27/02—Machines, plants or systems, using particular sources of energy using waste heat, e.g. from internal-combustion engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
    • F25B9/008—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant the refrigerant being carbon dioxide
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A30/00—Adapting or protecting infrastructure or their operation
    • Y02A30/27—Relating to heating, ventilation or air conditioning [HVAC] technologies
    • Y02A30/274—Relating to heating, ventilation or air conditioning [HVAC] technologies using waste energy, e.g. from internal combustion engine

Definitions

  • the present invention relates to a heat pump with an evaporator in which a fluid is continuously evaporated at low pressure while absorbing heat from the environment and a condenser in which the fluid is continuously condensed at high pressure with heat release to the environment.
  • Such a heat pump has several uses: when the condenser is located within a room and the evaporator is outside, the fluid that is usually used for liquefied gas carries heat from outside the room to within.
  • the heat pump in this case serves as a heating system for the room.
  • the fluid which in this case is also called a refrigerant, transports heat from within the room to outside.
  • the heat pump is used in this case as a cooling system (also called "chiller") for the room.
  • the object of the invention is to replace the conventional compressor of a heat pump, as used for example in a heating or cooling system, by an injector / ejector, which can provide the required pressures alone, ie without a downstream compressor.
  • the propulsion jet in the Laval propulsion nozzle consists of the fluid used in the heat pump.
  • the propellant is taken up in a liquid after the condenser in a bypass and fed via a pressure pump of the heated Laval nozzle.
  • the pressure pump generates pressures of preferably well above 100 bar, but it does not deliver gas, but only the liquid fluid whose volume is much smaller than in the gaseous state.
  • the heat supplied to the heated steam jet pump from the outside can, for example, be waste heat from an internal combustion engine.
  • the required heat is supplied to the steam blast from a heat exchanger on the exhaust via thermal connections to the evaporator / steam superheater and the Laval -reibdüse.
  • heat sources can be used as an internal combustion engine. These heat sources may consist of solar heat, heat from the combustion of a combustible fuel in a burner, process heat, etc. This application can be used, for example, for camping refrigerators, solar air conditioners, etc. or for heat pumps for domestic heating, when the primary heat source on the evaporator exceptionally alone is no longer sufficient, the primary heat source, for example, air and the additional heating is a wood heating.
  • the heat can be supplied via a heat exchanger to the gas, before entering the heat exchanger to the motive nozzle and the pre-evaporator.
  • the divergent portion of the Laval drive nozzle is at a shallower angle than 2 °, and the total driving jet is split into a plurality of discrete, juxtaposed smaller Laval drive nozzles.
  • the total driving jet is split into a plurality of discrete, juxtaposed smaller Laval drive nozzles.
  • a conventional motive nozzle would have in the ratio of available ⁇ t a heat transfer surface several hundred times too small to the propellant gas.
  • the liquid influent refrigerant is vaporized by supplying heat from the outside and subsequently over-
  • the heat exchange surface in the Laval motive nozzle must be designed to be absolutely rectilinear, while the evaporator / superheater with its subsonic flow velocity of the propellant medium can advantageously be applied in an arbitrarily baffle manner.
  • the fluid and thus each equally the motive steam of the injector / ejector, may consist of a CFC gas, CO2 or any other vaporizable fluid.
  • the pressures to be generated by the heated injector / ejector depend on the evaporator / superheater used and the desired temperature gradient.
  • the steam jet pump can also be designed only as an injector for overpressure generation or, in a further variant, also be used only as an ejector for generating negative pressure.
  • the use as an injector or ejector, or a mixed operation, is dependent on the fluid and its evaporation / condensation temperature and on the available and desired temperatures.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a heat pump operating as a cooling system according to a first embodiment of the present invention.
  • Fig. 2 is a schematic sectional view of a Laval nozzle.
  • FIG. 3 is a schematic sectional view of a vapor jet pump having two Laval driving nozzles.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a heat pump operating as a cooling system according to a modification of the first embodiment.
  • FIG. 5 is a schematic diagram of a heat pump operating as a heating system according to a second embodiment of the present invention.
  • a first embodiment of the present invention is described, in which the heat pump serves as a cooling system or chiller.
  • a evaporator 2 with a heat exchanger.
  • the evaporator 2 is connected via an intake 3 with a mixing tube 4, which in turn is connected via a Matterströmstutzen Ü 5 with a condenser 6 with heat exchanger.
  • a liquefied gas line 7 leads to a liquid gas collecting basin 8.
  • a liquefied gas line 9 leads via a throttle 10 back to the evaporator 2.
  • the fluid is continuously vaporized in the evaporator 2 at low pressure while absorbing heat from the environment and continuously condensed in the condenser 6 at high pressure with heat release to the environment.
  • heat is removed from the room to be cooled 1 to the environment, and the space to be cooled 1 is cooled.
  • a further liquefied gas line 11 leads via a liquid gas pump 12 to an evaporator.
  • DI7 / SVI31.07.07 fer / superheater 13 Connected to the evaporator / superheater 13 is a La Valve friction nozzle 14, which opens into the mixing tube 4 via a drive nozzle outlet 15.
  • the evaporator / superheater 13, the Laval friction nozzle 14 and the mixing tube 4 form a steam jet pump 16, which generates the required pressure levels for the condenser 6 and the evaporator 2 during operation.
  • the steam jet pump 16 further includes a heat exchanger 17 which is connected in each case via a thermally conductive connection 18, 19 with the evaporator / superheater 13 and with the Laval-Treibdüse 14.
  • the heat exchanger 17 is connected to the exhaust 20 of an internal combustion engine 21 of an automobile.
  • a Laval driving nozzle 14 is shown in section. It has a convergent blowing nozzle part 22 and a divergent blowing nozzle part 23. By flattening the pitch angle 24 of the divergent motive nozzle part 23, an extension of the Laval friction nozzle 14 takes place. With this extension of the divergent motive nozzle part 23, an increase in the heat exchange surface of the motive steam to the motive nozzle 19 anher.
  • a conventional Laval nozzle has a surface area that could never transfer the required amount of heat.
  • the heat exchange surface generally has to make up about 100 times more than a conventional Laval nozzle.
  • FIG. 3 a further measure for increasing the heat exchange surface is shown.
  • the total gas flow of the motive nozzle is divided among a plurality of small motive nozzles 14.
  • two blowing nozzles 14 are shown by way of example, however, three or more blowing nozzles 14 may be used.
  • the surface is considerably enlarged while the passage cross-section of the individual blowing nozzles remains the same.
  • the fluid is supplied to the evaporator / superheater 13, usually well above 100 bar. Due to the heat supplied to the evaporator / superheater 13, the fluid evaporates and becomes gaseous. In the evaporator / superheater 13, the gas still flows at subsonic speed, but reaches after the convergent nozzle portion 23 of the Laval nozzle 14 and the narrowest point in this nozzle in the divergent nozzle portion 24 of the Laval-Treibdüse 14 supersonic speed. From then on, the gas flow must no longer be diffracted in the straight flow direction. Otherwise there would be very bad enthalpy jumps.
  • the heated refrigerant propelling jet is opposite to the steam jet pump 16
  • the subsequent pumping of the refrigerant in the injector mixing tube 4 is therefore very efficient.
  • the blowing molecules collide many times with the delivery molecules.
  • the elastic shock kinetic energy of the driving molecules is transferred to the conveyor molecules.
  • the completely gaseous and hot propulsion jet of the steam jet pump 16 achieves a multiple of impacts on the pump medium compared to the partially already condensed motive steam of a conventional steam jet pump.
  • the gas releases its remaining heat to approximately the temperature value of the environment and condenses due to the reduced temperature and the prevailing overpressure.
  • the so liquefied gas flows partly as a propulsion jet for the steam jet pump 16 to the feed pump 12 and the other part via a throttle 10 to the evaporator. 2
  • the pressure of the LPG is greatly lowered. That's why it starts to boil and evaporates.
  • the required heat of vaporization is removed from the environment in the evaporator 2.
  • the heat transfer medium of the environment can be air, groundwater or the room to be cooled.
  • the evaporator After the evaporator has now absorbed heat from the environment (use as a heating system) or has withdrawn heat to the room to be cooled (use as a cooling system), the vaporized so then gas flows into the mixing tube 4, from where the described continuous process proceeds again ,
  • the heated steam jet pump 16 When used in the car, the heated steam jet pump 16 is operated by the available waste as waste heat of the exhaust 20. As the only moving part, the cooling system has a liquid gas pump 12, which consumes only a few percent of the energy consumed by a comparable compressor chiller.
  • FIG. 1 A modification of the first embodiment is shown in FIG. In this modification, the heat is used to heat the
  • Laval nozzle 14 is not generated by an internal combustion engine of an automobile, but by a burner 25th
  • heat source may also be used, e.g. a solar system, process heat, etc.
  • a solar system e.g. a solar system
  • process heat e.g. a solar system
  • This variety of possible heat sources also creates a variety of applicability of the invention.
  • Such devices serve as, for example, camping refrigerator or as air conditioning, which is powered by solar heat.
  • a sunlit roof may be used to generate the heat required to operate the air conditioning system of the underlying building via a solar panel.
  • the heat pump described in the first embodiment and its modification, which serves as a refrigerator or chiller, can also be used as a heating system when the condenser 6 is accommodated in a space to be heated.
  • Fig. 5 shows a heat pump that can be used as a heating system and equally as a cooling system, according to a second embodiment of the present invention.
  • Components whose structure and function correspond to those of the first embodiment are identified by the same reference numerals.
  • the heat pump according to the second embodiment differs from that of the first embodiment in that the condensed and heated gas exiting the mixing tube 4 is not supplied to the condenser 6 via the spill port 5 but via a gas line 26.
  • This gas line 26 is thermal conductive connections 27, 28 are connected to the evaporator / superheater 13 and to the Laval drive nozzle 14.
  • the heat supplied to the heated steam jet pump from the outside arises during the compression of the gas in the mixing tube of the injector. Heat that is generated in the injector, so for the most part in an internal heat cycle the pre-evaporator and especially the Laval -reibdüse recycled. The result is thus the effect that the Laval friction nozzle can generate pressures like a conventional compressor.

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Abstract

Es wird eine Wärmepumpe beschrieben, die beispielsweise als Heizanlage oder als Kühlanlage verwendbar ist. Die Wärmepumpe enthält einen Verdampfer (2), in dem ein Fluid bei niedrigem Druck mit Wärmeaufnahme aus der Umgebung kontinuierlich verdampft wird, und einen Kondensator (6), in dem das Fluid bei hohem Druck unter Wärmeabgabe an die Umgebung kontinuierlich kondensiert wird. Die erforderlichen Druckniveaus für den Kondensator und den Verdampfer werden durch eine Dampf Strahlpumpe (16) mit von außen her beheizter Laval -Treibdüse (14) erzeugt.

Description

Wärmepumpe
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Wärmepumpe mit einem Verdampfer, in dem ein Fluid bei niedrigem Druck unter Wärmeaufnahme aus der Umgebung kontinuierlich verdampft wird und einem Kondensator, in dem das Fluid bei hohem Druck unter Wärmeabgabe an die Umgebung kontinuierlich kondensiert wird.
Eine solche Wärmepumpe hat verschiedene Anwendungen: Wenn der Kondensator innerhalb eines Raumes angeordnet ist und der Verdampfer außerhalb, transportiert das Fluid, für das gewöhnlich ein Flüssiggas verwendet wird, Wärme von außerhalb des Raums nach innerhalb. Die Wärmepumpe dient in diesem Fall als Heizanlage für den Raum. Wenn dagegen der Verdampfer innerhalb eines Raumes angeordnet ist und der Kondensator außerhalb, transportiert das Fluid, das in diesem Fall auch als Kältemittel bezeichnet wird, Wärme von innerhalb des Raums nach außerhalb. Die Wärmepumpe dient in diesem Fall als Kühlanlage (auch "Kältemaschine" genannt) für den Raum.
In der Offenlegungsschrift DE 3200436 Al wird beispielhaft gezeigt, dass Injektoren/Ejektoren nur zur Unterstützung in diskontinuierlich betriebenen Absorptions-Wärmepumpen eingesetzt werden können. Aber auch in kontinuierlich arbeitenden Kompressor-Wärmepumpen kann die DampfStrahlpumpe nur zur Unterstützung verwendet werden.
Aus der Offenlegungsschrift DE 10317875 Al ist bekannt, dass Ejektoren zur Unterstützung eines Kälteanlage-Kompressors einen geringen Anfangsdruck ausbilden können. In der Laval -Treibdüse kondensiert der Treibdampf bei der Expansion schadhaft, und es bilden sich sogar Eiskristalle aus. In der Wärmepumpentechnik wird der Injektor/Ejektor folglich nur als Druckunterstützer eingesetzt, nicht aber als alleiniger Druckerzeuger.
Aufgabe der Erfindung ist es, den konventionellen Kompressor einer Wärmepumpe, wie sie beispielsweise in einer Heiz- oder Kühlanlage verwendet wird, durch einen Injektor/Ejektor zu ersetzen, welcher die erforderlichen Drücke alleine, also ohne nachgeschalteten Kompressor, erbringen kann.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Wärmepumpe gemäß Anspruch 1. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben .
Dazu ist der Einsatz einer von außen beheizten Laval-Treibdüse erforderlich. Diese wurde detailliert in allen Funktion in den Österreichischen Patentanmeldungen A 412/2005, A 608/2005, A 1660/2005 und A 1984/2005 beschrieben.
Durch die Beheizung des Treibstrahles insbesondere während der Expansion in der Treibdüse werden wesentlich höhere Austritts- geschwindigkeiten an der Treibdüse erzielt, und der Treibdampf ist beim Austritt vor allem völlig gasförmig. Somit werden die erforderlichen Druckniveaus ausschließlich durch den Dampftreibstrahl erzeugt .
Vorzugsweise besteht der Treibstrahl in der Laval-Treibdüse aus dem in der Wärmepumpe verwendeten Fluid. Das Treibmedium wird in einem Bypass nach dem Kondensator flüssig aufgenommen und über eine Druckpumpe der beheizten Laval-Treibdüse zugeführt. Die Druckpumpe erzeugt dabei Drücke von vorzugsweise deutlich über 100 bar, sie fördert aber kein Gas, sondern ausschließlich das flüssige Fluid, dessen Volumen wesentlich kleiner ist als im gasförmigen Zustand.
DU/SV/31 0707 Die der beheizten DampfStrahlpumpe von außen zugeführte Wärme kann beispielsweise Abwärme eines Verbrennungsmotors sein. Die erforderliche Wärme wird dem Dampftreibstrahl von einem Wärmetauscher am Auspuff über thermische Verbindungen dem Verdampfer/Dampfüberhitzer und der Laval -Treibdüse zugeführt.
Selbstverständlich können auch andere Wärmequellen eingesetzt werden als ein Verbrennungsmotor. Diese Wärmequellen können aus Solarwärme, Wärme aus dem Abbrand eines brennbaren Brennstoffes in einem Brenner, Prozesswärme usw. bestehen. Diese Anwendung können beispielsweise für Camping-Kühlschränke, Solar- Klimaanlagen etc. genutzt werden oder für Wärmepumpen zur Hausbeheizung, wenn die primäre Wärmequelle am Verdampfer ausnahmsweise alleine nicht mehr ausreicht, die primäre Wärmequelle also beispielsweise Luft ist und die Zusatzheizung eine Holzheizung ist. Die Wärme kann über einen Wärmetauscher zum Gas, vor dem Eintritt in die Wärmetauscher zur Treibdüse und dem Vorverdampfer zugeführt werden. Es kann aber natürlich auch eine direkte thermische Verbindung von der Zusatz-Wärmequelle zu den Wärmetauschern der Treibdüse und dem Verdampfer/Überhitzer geschaffen werden.
Vorzugsweise weist der divergente Teil der Laval-Treibdüse einen flacheren Winkel als 2° auf, und der Gesamttreibstrahl wird auf mehrere einzelne, parallel nebeneinander angeordnete, kleinere Laval-Treibdüsen aufgeteilt. Dadurch wird eine Vergrößerung der Wärmetauschfläche des Treibgases zur Wärmetauschfläche der Laval-Treibdüsen-Innenseite erreicht. Eine konventionelle Treibdüse würde im Verhältnis des zu Verfügung stehenden Δt eine mehrere hundertfach zu kleine Wärmetauschflache zum Treibgas aufweisen.
Im Verdampfer/Überhitzer wird das flüssig zufließende Kältemittel durch Wärmezufuhr von außen verdampft und nachfolgend über-
DL7/SV/310707 hitzt. Die Überhitzung des Treibdampfes im DampfÜberhitzer spart Wärmetauschfläche in der Laval -Treibdüse.
Die Wärmetauschfläche in der Laval-Treibdüse muss aufgrund der Überschallgeschwindigkeit des Treibdampfes absolut geradlinig ausgeführt werden, während der Verdampfer/Überhitzer mit seiner Unterschall -Strömungsgeschwindigkeit des Treibmediums vorteilhaft beliebig schikanenartig anlegt sein kann.
Das Fluid, und somit jeweils gleichermaßen der Treibdampf der Injektor/Ejektorpumpe, kann aus einem FCKW-Gas, aus CO2 oder einem beliebigen anderen verdampfbaren Fluid bestehen. Die Drücke, welche von der beheizten Injektor/Ejektorpumpe zu erzeugen sind, richten sich nach dem verwendeten Verdampfer/Überhitzer und den angestrebten Temperaturgefällen.
Die DampfStrahlpumpe kann in einer Variante auch nur als Injektor zur Überdruckerzeugung ausgebildet sein oder in einer weiteren Variante auch nur als Ejektor zur Unterdruckerzeugung genutzt werden. Der Einsatz als Injektor oder Ejektor, oder eines Mischbetriebes, ist vom Fluid und dessen Verdampfungs- /Kondensationstemperatur sowie von den zur Verfügung stehenden und gewünschten Temperaturen abhängig.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer als Kühlanlage arbeitenden Wärmepumpe gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 ist eine schematische Schnittansicht einer als Laval - Treibdüse.
DL7/SV/310707 Fig. 3 ist eine schematische Schnittansicht einer Dampf - Strahlpumpe mit zwei Laval -Treibdüsen .
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung einer als Kühlanlage arbeitenden Wärmepumpe gemäß einer Abwandlung ersten Ausführungsform.
Fig. 5 ist eine schematische Darstellung einer als Heizanlage arbeitenden Wärmepumpe gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Zunächst wird mit Bezug auf Fig.1. eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben, bei der die Wärmepumpe als Kühlanlage oder Kältemaschine dient.
In einem zu kühlenden Raum 1 befindet sich ein Verdampfer 2 mit Wärmetauscher. Der Verdampfer 2 ist über einen Ansaugstutzen 3 mit einem Mischrohr 4 verbunden, das seinerseits über einen Ü- berströmstutzen 5 mit einem Kondensator 6 mit Wärmetauscher verbunden ist. Von dem Kondensator 6 aus führt eine Flüssiggasleitung 7 zu einem Flüssiggassammelbecken 8. Von dem Flüssiggas-Sammelbecken 8 führt eine Flüssiggasleitung 9 über eine Drossel 10 zurück zu dem Verdampfer 2. Somit wird ein geschlossener Kreis gebildet, in dem ein als Kältemittel wirkendes Fluid zirkulieren kann.
Im Betrieb wird das Fluid in dem Verdampfer 2 bei niedrigem Druck unter Wärmeaufnahme aus der Umgebung kontinuierlich verdampft und in dem Kondensator 6 bei hohem Druck unter Wärmeabgabe an die Umgebung kontinuierlich kondensiert. Dadurch wird Wärme aus dem zu kühlenden Raum 1 an die Umgebung abgeführt, und der zu kühlende Raum 1 wird gekühlt.
Von dem Flüssiggassammelbecken 8 führt eine weitere Flüssiggas- leitung 11 über eine Flüssiggaspumpe 12 zu einem Verdamp-
DI7/SVI31.07.07 fer/Überhitzer 13. An den Verdampfer/Überhitzer 13 ist eine La- val -Treibdüse 14 angeschlossen, die über einen Treibdüsenaus- lass 15 in das Mischrohr 4 mündet. Der Verdampfer/Überhitzer 13, die Laval -Treibdüse 14 und das Mischrohr 4 bilden eine DampfStrahlpumpe 16, die im Betrieb die erforderlichen Druckniveaus für den Kondensator 6 und den Verdampfer 2 erzeugt .
Dazu enthält die DampfStrahlpumpe 16 weiter einen Wärmetauscher 17, der jeweils über eine thermisch leitende Verbindung 18, 19 mit dem Verdampfer/Überhitzer 13 und mit der Laval-Treibdüse 14 verbunden ist .
In der vorliegenden Ausführungsform ist der Wärmetauscher 17 mit dem Auspuff 20 eines Verbrennungsmotors 21 eines Automobils verbunden .
Im Betrieb genügt schon bei geringster Motorauslastung ein Teil der Abwärme des Verbrennungsmotors 21, der über den Wärmetauscher 17 und die thermisch leitenden Verbindungen 18, 19 an den Verdampfer/Überhitzer 13 und die Laval -Treibdüse 14 geleitet wird, um beispielsweise eine Auto-Klimaanlage vollwertig zu betreiben. Diese Abwärme verdampft im Verdampfer/Überhitzer 13 das flüssige Kältemittel, und vor allem beheizt sie das Kältemittel während der Expansion in der Laval -Treibdüse 14.
In Fig. 2 ist eine Laval-Treibdüse 14 im Schnitt gezeigt. Sie weist einen konvergenten Treibdüsenteil 22 und einen divergenten Treibdüsenteil 23 auf. Mittels Verflachen des Steigungswinkels 24 des divergenten Treibdüsenteils 23 findet eine Verlängerung der Laval -Treibdüse 14 statt. Mit dieser Verlängerung des divergenten Treibdüsenteil 23 geht eine Vergrößerung der Wärmetauschfläche des Treibdampfes zur Treibdüse 19 anher. Eine konventionelle Laval-Treibdüse weist eine Oberflächengröße auf, die niemals die erforderlichen Wärmemengen übertragen könnte.
OL7/SV/310707 Die Wärmetauschfläche muss im Gesamten im Regelfall ca. ein 100-faches einer herkömmlichen Laval-Treibdüse ausmachen.
In Fig. 3 ist eine weitere Maßnahme zur Vergrößerung der Wärmetauschfläche gezeigt. Es wird der Gesamtgasstrom der Treibdüse auf eine Vielzahl kleiner Treibdüsen 14 aufgeteilt. In der Figur sind beispielhaft zwei Treibdüsen 14 gezeigt, es können jedoch auch drei oder mehr Treibdüsen 14 verwendet werden. Dadurch wird die Oberfläche je nach Anzahl dieser kleinen Treibdüsen bei gleichbleibendem Durchlassquerschnitt der einzelnen Treibdüsen erheblich vergrößert.
Von der Flüssiggaspumpe 12, die von einem (nicht dargestellten) Elektromotor angetrieben wird, wird das Fluid mit meist deutlich über 100 bar dem Verdampfer/Überhitzer 13 zugeführt. Auf Grund der dem Verdampfer/Überhitzer 13 zugeführten Wärme verdampft das Fluid und wird gasförmig. Im Verdampfer/Überhitzer 13 strömt das Gas noch mit Unterschallgeschwindigkeit, erreicht aber nach dem konvergenten Düsenteil 23 der Laval-Treibdüse 14 und der engsten Stelle in dieser Düse im divergenten Düsenteil 24 der Laval -Treibdüse 14 Überschall-Geschwindigkeit . Ab dann darf der Gasstrom keinesfalls mehr in der geradlinigen Fließrichtung gebeugt werden. Es würden sonst sehr schadhafte Enthalpiesprünge auftreten.
Durch das Beheizen der Laval -Treibdüse 14 wird ein Abkühlen des Kältemittels bei der Überschall -Expansion vermieden. In herkömmlichen Laval-Treibdüsen kondensiert der Treibdampf bei der Expansion äußerst schadhaft und bildet sogar Eiskristalle. Dadurch erzielen herkömmliche DampfStrahlpumpen nur sehr schlechte Wirkungsgrade und konnten in der Kältetechnik bisher bestenfalls als Unterstützer des Kompressors eingesetzt werden.
In der DampfStrahlpumpe 16 gemäß der vorliegenden Ausführungsform tritt der beheizte Kältemittel-Treibstrahl gegenüber der
DL7/SW31.07.07 herkömmlichen DampfStrahlpumpe mit einer weit erhöhten Geschwindigkeit und heiß aus der Laval -Treibdüse 14 aus und ist vollständig gasförmig. Er besitzt also eine weit höhere kinetische Energie in Form von Geschwindigkeit der beschleunigten Gasmoleküle. Die Moleküle sind aber aufgrund der Beheizung auch wirklich gasförmig und nicht wie in herkömmlichen Laval- Treibdüsen zu Flüssigkeit kondensiert oder gar zu Eiskristallen erstarrt .
Das anschließende Pumpen des Kältemittels im Injektor-Mischrohr 4 erfolgt deswegen mit sehr gutem Wirkungsgrad. Im Mischrohr 4 kollidieren die Treibmoleküle vielfach mit den Fördermolekülen. Im elastischen Stoß wird kinetische Energie der Treibmoleküle auf die Fördermoleküle übertragen.
Es wird aber auch ein erheblicher Anteil der den Treibmolekülen innenwohnenden kinetischen Energie in Wärme umgewandelt. Diese Wärme führt zu einer Erwärmung des Gases, welche je nach Gas- Mischverhältnis zwischen Treib- und Fördergas, dem verwendeten Treibdruck, etc, durchaus > 1000C erreichen kann. In Verdichtungsstößen sinkt die Geschwindigkeit des Treibgas-Fördergas- Gemisches im Mischrohr 4 auf Unterschall-Geschwindigkeit , und umgekehrt steigt der Druck auf Werte, wie sie bis dato nur mit den Kompressoren zu erzielen waren. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ersetzt also den Kompressor vollständig.
Die Impulsübertragung im elastischen Stoss von gasförmigen Treibmolekülen auf die gasförmigen Pumpmoleküle gelingt im selben Maß besser, als eine höhere Geschwindigkeit der Treibmoleküle zur Verfügung steht und als das Treibmedium anteilig gasförmig ist. Wichtig zu wissen ist, dass kondensierter Treibdampf oder zu Eiskristallen erstarrter Treibdampf auf das gasförmige Pumpmedium de facto keine Pumpwirkung mehr ausübt.
OU/SV/31.07.07 Der vollständig gasförmige und heiße Treibstrahl der Dampfstrahlpumpe 16 erzielt gegenüber dem teilweise schon kondensierten Treibdampf einer konventionellen DampfStrahlpumpe ein Vielfaches an Stößen auf das Pumpmedium.
Im Kondensator 6 gibt das Gas seine restliche Wärme bis auf annähernd den Temperaturwert der Umgebung ab und kondensiert dabei aufgrund der verringerten Temperatur und des herrschenden Überdruckes. Nunmehr fließt das dermaßen verflüssigte Gas zum einen Teil als Treibstrahl für die Dampfstrahlpumpe 16 zur Förderpumpe 12 und zum anderen Teil über eine Drossel 10 zum Verdampfer 2.
In der Drossel 10 wird der Druck des Flüssiggas stark abgesenkt. Deswegen beginnt dieses zu sieden und verdampft. Die erforderliche Verdampfungswärme wird im Verdampfer 2 aus der Umgebung entzogen. Der Wärmeträger der Umgebung kann Luft, Grundwasser oder der zu kühlende Raum sein.
Nachdem der Verdampfer nunmehr Wärme von der Umgebung aufgenommen hat (Anwendung als Heizanlage) bzw. dem zu kühlenden Raum Wärme entzogen hat (Anwendung als Kühlanlage) , strömt das dermaßen verdampfte Gas sodann in das Mischrohr 4, von wo aus der beschriebene kontinuierliche Prozess erneut abläuft .
Bei der Anwendung im Auto wird die beheizte DampfStrahlpumpe 16 durch die als Abfallprodukt zur Verfügung stehende Abwärme des Auspuffes 20 betrieben. Als einzigen bewegten Teil weist die Kühlanlage eine Flüssiggaspumpe 12 auf, welche nur ein paar Prozent der Energie verbraucht, wie sie eine vergleichbare Kompressor-Kältemaschine verbraucht .
Eine Abwandlung der ersten Ausführungsform ist in Fig. 4 dargestellt. In dieser Abwandlung wird die Wärme zum Beheizen der
DL7/SV/31.07.07 Laval-Treibdüse 14 nicht von einem Verbrennungsmotor eines Automobils erzeugt, sondern durch einen Brenner 25.
Alternativ kann anstelle eines Verbrennungsmotors oder eines Brenners auch eine andere Wärmequelle eingesetzt werden wie z.B. eine Solaranlage, Prozesswärme, usw. Durch diese Vielfalt der möglichen Wärmequellen entsteht ebenso eine Vielfalt der Anwendbarkeit der Erfindung. Solche Einrichtungen dienen als beispielsweise Camping-Kühlschrank oder als Klimaanlage, welche durch solare Wärme angetrieben wird. In sonnigen Ländern kann beispielsweise ein von der Sonne beschienenes Dach dazu verwendet werden, um über ein Solarfeld die erforderliche Wärme für den Betrieb der Klimaanlage des darunter liegenden Gebäudes zu erzeugen.
Die in der ersten Ausführungsform und ihrer Abwandlung beschriebene Wärmepumpe, die als Kühlanlage oder Kältemaschine dient, kann ebenso als Heizanlage verwendet werden, wenn der Kondensator 6 in einem zu heizenden Raum untergebracht ist.
Fig. 5 zeigt eine Wärmepumpe, die als Heizanlage und gleichermaßen als Kühlanlage verwendet werden kann, nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bauteile, deren Aufbau und Funktion denen der ersten Ausführung entspricht, sind durch dieselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
Die Wärmepumpe gemäß der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von derjenigen der ersten Ausführungsform darin, dass das aus dem Mischrohr 4 austretende verdichtete und erhitzte Gas dem Kondensator 6 nicht über den Überströmstutzen 5 zugeführt wird, sondern über eine Gasleitung 26. Diese Gasleitung 26 ist jeweils über thermisch leitende Verbindungen 27, 28 mit dem Verdampfer/Überhitzer 13 und mit der Laval-Treibdüse 14 verbunden.
DI7/SV/31 0707 Somit wird dem Verdampfer/Überhitzer 13 und der Laval -Treibdüse 14 Wärme von dem heißen Gas zugeführt, das von dem Mischrohr 4 durch die Gasleitung 26 zu dem Kondensator 6 geleitet wird. Ü- ber eine Zusatzheizung 29 kann dem Gas in der Gasleitung 26 weitere Wärme zugeführt werden.
Die der beheizten DampfStrahlpumpe von außen her zugeführte Wärme entsteht bei der Verdichtung des Gases im Mischrohr des Injektors. Wärme, die im Injektor erzeugt wird, wird also größtenteils in einem inneren Wärmekreislauf dem Vorverdampfer und vor allem der Laval -Treibdüse wieder rückgeführt. Es entsteht somit der Effekt, dass die Laval -Treibdüse Drücke wie ein herkömmlicher Kompressor erzeugen kann.
DL7/SV/31.07.07

Claims

PATENTANSPRUCHE
1. Wärmepumpe mit einem Verdampfer (2) , in dem ein Fluid bei niedrigem Druck mit Wärmeaufnahme aus der Umgebung kontinuierlich verdampft wird, und einem Kondensator (6) , in dem das Fluid bei hohem Druck unter Wärmeabgabe an die Umgebung kontinuierlich kondensiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die erforderlichen Druckniveaus für den Kondensator und den Verdampfer durch eine DampfStrahlpumpe (16) mit von außen her beheizter Laval-Treibdüse (14) erzeugt werden.
2. Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfstrahl der beheizten Laval-Treibdüse (14) aus dem
Fluid der Wärmepumpe gebildet ist .
3. Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe eine Kühlanlage ist und der Dampfstrahl der beheizten Laval-Treibdüse (14) aus dem Kältemittel der Kühlanlage gebildet ist.
4. Wärmepumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel und der Treibdampf der Injektor/Ejektorpumpe
(16) aus einem FCKW-Gas oder aus CO2 bestehen.
5. Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe eine Heizanlage ist und der Dampfstrahl der beheizten Laval -Treibdüse (14) aus dem aus Flüssiggas bestehenden Fluid der Heizanlage gebildet ist.
6. Wärmepumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Treibdampf der DampfStrahlpumpe (16) und das Fördermedium des Mischrohres (4) aus CO2 bestehen.
DI7/SW310707
7. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Treibmedium für die DampfStrahlpumpe (16) in einem Bypass nach dem Kondensator (6) aufgenommen wird und über eine Druckpumpe (12) der DampfStrahlpumpe zugeführt wird.
8. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die DampfStrahlpumpe (16) einen Verdampfer/Überhitzer (13) enthält, in dem das flüssig zufließende Fluid durch Wärmezufuhr von außen verdampft und nachfolgend ü- berhitzt wird.
9. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem Dampftreibstrahl die erforderliche Wärme von einem Wärmetauscher (17) über thermische Verbindungen (18, 19) zu einem Verdampfer/Überhitzer (13) und zur Laval -Treibdüse (14) zugeführt wird.
10. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die der DampfStrahlpumpe (16) von außen zugeführte Wärme beispielsweise Abwärme eines Verbrennungsmotors (21) ist.
11. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verdampfer/Überhitzer (13) und die La- val-Treibdüse (14) über thermische Verbindungen (27, 28) durch Wärme aus verdichteten Gas, welches im Mischrohr (4) entsteht, beheizt werden.
12. Wärmepumpe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zusatzheizung (29) zur Beheizung des im Mischrohr (4) entstehenden verdichteten Gases bereitgestellt ist.
DL7/SV/310707
13. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass alternativ oder zusätzlich Wärmequellen eingesetzt werden, die aus Solarwärme, Wärme aus dem Abbrand eines brennbaren Brennstoffes in einem Brenner (25) , Prozesswärme, oder ähnlichem bestehen.
14. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der divergente Teil der Lava1-Treibdüse (14) einen flacheren Winkel (24) als 2° aufweist
15. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamttreibstrahl auf mehrere einzelne, parallel nebeneinander angeordnete, kleinere Laval -Treibdüsen
(14) aufgeteilt wird.
16. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfstrahlpumpe (16) in einer Variante nur als Injektor zur Überdruckerzeugung oder in einer weiteren Variante nur als Ejektor zur Unterdruckerzeugung genutzt wird.
OL7/SVB1.07.07
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