AT507617A1 - Wärmepumpe - Google Patents

Description

Beschreibung:

Ziel der Erfindung ist es mit Hilfe einer Wärmepumpe mit möglichst wenig Arbeitsinvestition der Umgebung (Luft, Wasser usw.) ständig Wärme auf niedrigem Niveau zu entnehmen und sie in Brauchwärme zu transponieren und einer Niederteraperaturheizung zuzuführen.

Diese Temperaturanhebung wird heutzutage vorwiegend mittels Kompressoren, Kältemittel und Expansionsventil in einem geschlossenen Kreislauf erreicht. Der Antrieb des Kompressors ist relativ arbeitsintensiv und braucht Fremd— energle z.B. Strom. Während die Verdichtungswärmepumpen mechanisch betrieben werden, funktionie ren Absorptionswärmepumpen durch Zufuhr von Wärmeenergie, wobei auch bei diesem Verfahren die Expansion und Abkühlung des Arbeitsmediums mittels Drosselventil erfolgt. t

Demgegenüber wird bei der neuartigen Wärmepumpe die Drucksenkung anstatt eines Drosselventils durch Verwendung eines neutralen Gases bewirkt.

Nach dem Gesetz von Dalton äußert sich der Gesamtdruck einer Gasmischiing als Summe aus den Partialdrücken der Einzelgase aus der die Mischung besteht. Daher bestimmt sich der Druck des Gemisches aus dem Partialdruck des Kühlmittels und dem Teildruck des Inertgases.

Das flüssige Kühlmittel beispielsweise Ammoniak verdampft somit in das In-ertgas wie ^ oder ^ hinein. Hiedurch bildet sich ein Gasgemisch aus NH^ und H2 bzw. N2, wobei die erforderliche Verdampfungswärme der Umgebung mittels Wärmetauscher zu entnehmen ist.

Das Gasgemisch muß nun einem Trennverfahren zugeführt werden.

Das Trennverfahren des Gas-Dampf-Gemisches beruht darauf, daß geladene NH^-Moleküle im elektrischen Feld abgelenkt werden.

Eine Ablenkung durch Kraftwirkung von ungeladenen NH^-Molekülen in einem inhomogenen elektrischen Feld durch Dipolwirkung ist praktisch nicht wirksam. Es wirken zwar theoretisch Kräfte durch das inhomogene elektrische Feld auf die Aramoniakmoleküle, die aber zu gering sind, um die Strömungs-Verhältnisse zu überwinden. Hingegen können Abweichungen geladener NH^-Molekiile im elektrischen Feld beobachtet werden. ·· • ·· ·· ···· ·· • ·· • • ♦ ♦ • • · • • • • · ··· • · • » • • • · % ··· • • • • • · • • - 2 -

Die Aufladung erfolgt durch Anwendung des Koronaauflade-Vorgangs.

Hiermit ist die Kraftwirkung auf geladene NH^-Moleküle im elektrischen Feld wesentlich wirksamer, allerdings üben die Strömungsverhältnisse einen entscheidenen Einfluß auf die Ablenkung aus. Zu hohe Strömungsgeschwindigkeiten und turbulente Strömungen verringern den Ablenkeffekt. Elektrodenanordnungen mit getrennter Auflade- und Abscheidezone haben sich in der Praxis als besonders wirkungsvoll erwiesen.

Das Inertgas-Ammoniakdampf-Gemisch wird also nach Ionisation des Ammoniak— dampfes mittels Koronaauflade-Verfahrens durch einen engen Spalt zwischen den spezialbeschichteten Elektroden hindurchgeblasen.

Die aufgeladenen NH^-Moleküle werden in Richtung Arbeitselektrode abgelenkt, wodurch das Gemisch entsprechend dem Coulombschen Attraktionsgesetz voneinander getrennt wird. Trennzungen separieren die im Feld auseinandergezoge— nen Gase. Der Leistungsaufwand zur elektrischen Trennung ist äußerst gering und bewegt sich im lW-Bereich.

Ist das Inertgas Wasserstoff so kann die Reinigung des ^ vom Kältemittel in einem adiabatischen Druckdifferenzverfahren von einigen 100 Torr durch Hydridbildung erfolgen.

Die Reinigung von Wasserstoff durch Hydridbildung ist algemein bekannt.

Sie beruht auf die selektive Aufnahme von Wasserstoff durch hydridbildende Metalle, wobei der Wasserstoff absorbiert und beim Desorptionsschritt rein abgegeben wird.

Die bei der Absorption freiwerdende Wärmemenge wird in mit Bailastmaterial gestreckten Hydridpellets gespeichert und bei der I^-Abgabe wieder verbraucht. (ad iaba tisches Druckwechselverfahren)

Dem adiabatischen Druckwechselverfahren gegenüber ist es nun vorgesehen mit Hilfe nur einer Absorbersäule die Absorption und Desorption des ^-Gases gleichzeitig ablaufen zu lassen, wobei die anfallende Wärmemenge den mit Ballastmaterial gestreckten Hydridpellets als Wärmeträgermedium zuzuführen und die bei der Desorption notwendige Wärmemenge aus dem Wärmeträgermedium zu entnehmen ist. (adiabatisches Druckdifferenzverfahren)

Auch ist es vorgesehen das kostengünstigste Metall in die Wärmepumpe einzubauen, aber auch die Druckdifferenz zwischen Absorption und desorption klein zu halten, was wiederum vom Betriebstemperaturniveau der Anlage aber auch vom Aufbau eines elektrischen Feldes abhängt. ··

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Da mittels Koronaauflade-Verfahrens ionisierte Ammoniak-Moleküle in einem statischen elektrischen Feld in Richtung Arbeitselektrode abgelenkt werden, kann es vorgesehen sein mit dem genannten Verfahren die Durchwanderungsge— schwindigkeit der Wasserstoffatome durch den Metallhydridblock infolge Erhöhung der Druckdifferenz ohne Einsatz eines Kompressors zu beschleunigen. Die aufgeladenen Ammoniakrooleküle werden im Verflüssiger in den Bereich der Arbeitselektrode hineingezogen und der Metallhydridblock als zweiter elektrischer Dipol wird somit nun nur von I^-Gas umspült, so daß an dieser Seite der im Verflüssiger herrschende Gesamtdruck, auf der entgegengesetzten Seite im Verdampfer aber lediglich der Partialdruck des Wasserstoffs zur Wirkung kommt.

Da für die erforderliche Gaszirkulation Gebläse Verwendung finden und der Energieaufwand für die Trennung der Gasgemische mit den oben erwähnten Verfahren im Gegensatz zu den Verdichtern bei Kompressionskältemaschinen sehr klein ist, kann die Wirtschaftlichkeit von Wärmepumpen bzw. Kaltdampfmaschinen beträchtlich gesteigert werden.

Eine Möglichkeit zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens soll nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung, veranschaulichter Einrichtung, erläutert werden.

Die schematische Ansicht zeigt in Fig. 1 eine erfindungsgemäße mögliche Einrichtung einer Wärmepumpe mit elektrostatischer Scheidung und einem geschlossenen Kältemitteldampf-Inertgas-Kreislauf, wobei in diesem Falle Ammoniak als Kältemittel und als Inertgas Wasserstoffgas Verwendung finden und der Betriebsdruck der Anlage mit 40 bar angesetzt wurde, was eine Betriebstemperatur von 80° C im Verflüssiger bedeutet.

Ein Gebläse (1) sorgt für die erforderliche Gaszirkulation und befördert das auf Umwelttemperatur aufgewärmte Ammoniakdampf-Wasserstoffgas-Gemisch aus dem als Wärmetauscher ausgebildeten Verdampfer (2) über die Leitung (3) in den Dampfraum (4) des Verflüssigers (5), nachdem in einem Wärmetauscher (6) das Gasgemisch nahezu auf das vorgesehene Betriebstemperaturniveau des Verflüssigers (5) angehoben wurde.

Im Dampfraum (4) des Verflüssigers (5) ist es nun vorgesehen die Aramoniak-raolekiile mittels Koronaauflade-Verfahrens zu ionisieren und das Gasgemisch zwischen zwei entgegengesetzt geladenen Elektroden (7 und 8), durch ein elektrisches Feld, hindurchzublasen.

Die aufgeladenen Ammoniakmoleküle erfahren im Gegensatz zum Inertgas in einem statischen elektrischen Feld während des Durchströmens eine Ablenkung in Richtung Arbeitselektrode (7) und die auseinandergezogenen Gase werden durch mindestens eine TVennzunge (9) separiert.

Das heiße Inertgas durchströmt Uber die Leitung (10) den Wärmetauscher (6), wird abgekühlt und nimmt im Verdampfer (2) unter weiterer Abkühlung Ammoniakdampf auf, wobei das Ammoniakdampf-Wasserstoffgas-Gernisch sodann noch im Verdampfer (2) wiederum auf Umwelttemperaturniveau aufgewärmt wird. Der mit Ammoniakdampf angereicherte Teil kondensiert durch das Unterschreiten des Taupunktes im Dampfraum (4), absorbiert im flüssigen Ammoniak (11) am Grunde des Verflüssigers (5) und gibt die Kondensationswärme ab, wodurch sich das Kondensat (11) immer weiter bis zum Siedepunkt erhitzen wUrde, wenn die anfallende Kondensationswärme nicht mittels eines Wärmetauschers (12) einer Niedertemperaturheizung zugeführt werden würde.

Die im Verflüssiger (5) anfallende Kondensationswärmemenge und die erforderliche Verdampfungswärmemenge im Verdampfer (2) bilanzieren inetwa.

Das gereinigte Inertgas wird also mittels des Gebläses (1) aus dem Verflüssiger (5) Uber die Leitung (10) in den Verdampfer (2) geblasen, während das Kondensat (11) mittels einer Flüssigkeitspumpe (13) und einer Leitung (14) in den Verdampfer (2) befördert wird.

Beide Medien werden im Wärmetauscher (6) gegen das kalte Ammoniakdampf-Wasser Stoff -Gemisch im Gegenstrom fließend abgekühlt, bevor schließlich im Verdampfer (2) der flüssige Ammoniak (11) in das Inertgas expandiert und unter extremer Abkühlung verdampft.

Claims (3)

1. Patentansprüche: 1. Verfahren zur Verdampfung von Flüssigkeiten und Gewinnung des Kondensats, bei einer Wärmepumpe mit einem geschlossenen Kreisprozeß, wobei dieser mit Hilfe eines Kompressors oder eines Gebläses (1) aufrechterhalten wird und das flüssige Kältemittel in ein vorbestimmtes Inertgas, beispielsweise Stickstoff oder Wasserstoffgas, expandiert und verdampft, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennung des Kältemitteldampf-Inertgas-Gemisches anschließend im Verflüssiger (5) mittels Hydridbildung erfolgt, indem das Inertgas Wasserstoff selektiv durch ein vorbestimmtes Metallhydrid infolge Druckdifferenz hindurchdiffundiert und gereinigt den Verdampfer (2) erreicht, wo es sich wiederum mit dem dampfförmigen Kältemittel mischt, und daß die bei der ^Absorption freiwerdende Wärmemenge in mit Ballastmaterial gestreckten Hydridpellets gespeichert und bei der H2~Abgabe wieder verbraucht wird, (adiabatisches Druckdifferenzverfahren) und daß durch den Anstieg der Dampfkonzen-tration des Kältemittels im Verflüssiger (5) dieses kondensiert (Taupunkt) und die Kondensationswärme mittels einer Wärmetauscherkonstruktion (12) abgeführt und nutzbringend eingesetzt wird, und daß in einem Wärmetauscher (6) aus wärmetechnischen Gründen die zum Verdampfer (2) fließenden Medien vorgekiihlt werden und das im Gegenstrom fließende Kältemitteldampf-Inert-gas-Gemisch zum Verflüssiger (5) vorgewärmt wird.
2. 2, Verfahren zur Verdampfung von Flüssigkeiten und Gewinnung des Kondensats, nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Trennung des Dampf-Gas-Gemisches bei der Wärmepumpe mit Hilfe eines statischen elektrischen Feldes im Verflüssiger (5) erfolgt, wobei der Kältemitteldampf mit dem Koronaauflade-Verfahren ionisiert wird und daß beim Durchströmen des elektrischen Feldes zwischen zwei entgegengesetzt geladenen Elektroden (7 und 8) die Gase auseinander gezogen und durch mindestens eine Trennzunge (9) separiert werden. ·· ·· ···· ·· • · • · • • · • · • ··· • · • · • • *· * • · • • • - 6 -
3. 3. Verfahren zur Verdampfung von Flüssigkeiten und Gewinnung des Kondensats, nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Druckdifferenz des Inertgases an den entgegengesetzten Seiten des Metallhydrids mittels eines elektrischen Feldes erreicht wird, indem die durch das Koronaauflade-Verfahren aufgeladenen Kältemittelmoleküle an einer Seite mit Hilfe der Arbeitselektrode vom Metallhydrid abgelenkt werden, so daß dort der Gesamtdruck die Wasserstoffmolekiile gegen das Metall— hydrid preßt, während auf der gegenüberliegenden Seite lediglich der Partialdruck des Wasserstoffgases zur Wirkung kommt.