Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe. Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe mit stufenweiser Entspannung eines Arbeits mittels lind Absaugung von in den Entspan nungsstufen entstandenen Dämpfen durch unter entsprechendem Saugdruck arbeitenden Verdichterstufen, wobei der bei einer Teilent spannung flüssig gebliebene Teil des Arbeits mittels abgeschieden und jeweils der folgen den Entspannungsstufe zugeführt wird, und wobei einer Wärmequelle entzogene Wärme dem flüssigen Anteil des Arbeitsmittels in der letzten Entspannungsstufe zugeführt wird.
Das Verfahren gemäss der Erfindung zeich net sich dadurch aus, dass Teilmengen von einer Wärmequelle abgegebener Wärme ausser in der letzten Entspannungsstufe zwecks zu sätzlicher stufenweiser Verdampfung vom Ar beitsmittel in den Entspannungsstufen auch in vorgeschaltete Entspannungsstufen einge führt werden.
Ausführungsbeispiele des Verfahrens wer den an Hand der beiliegenden Zeichnung er läutert, in welcher die Abb. 1 bis 4 verschie dene Varianten einer Prinzipskizze einer Wärmepumpe zeigen.
Abb.1 zeigt eine erste Ausführung, wobei das wärmeabgebende Medium Wasser ist, das zugleich auch Arbeitsmittel der Wärmepumpe ist. In einem Sammelbehälter 1 steht Wasser von 40 C zur Verfügung. Von hier fliesst es einem Entspannungsventil El zu, in dem seine Temperatur durch Entspannung auf 30 ge- senkt wird. Die durch diese Entspannung ent standene Dampfmenge wird über eine Leitung 2 von einer zugeordneten Stufe eines Kom- pressors K angesaugt und dort verdichtet. Der Rest des Wassers fliesst einem zweiten Ent spannungsventil E2 und danach einem dritten Entspannungsventil E3 zu, wobei sich der be schriebene Vorgang jeweils wiederholt, d. h.
das Wasser von 30 wird durch Entspannung auf 20 bzw. das von 20 auf 10 gebracht, wäh rend der dabei entstandene Dampf wiederum von entsprechend niedrigeren Stufen des Kom- pressors K angesaugt und verdichtet wird. Bei dreistufiger Entspannung-Lind dreistufiger Ver- dichtimg wird von der ersten Stufe des Kom- pressors K der bei der letzten Entspannung gewonnene Dampf angesaugt und verdichtet.
In der zweiten oder einer folgenden Stufe des Kompressors kommt der Dampf aus der zwei ten Entspannungsstufe und in der dritten oder einer späteren Stufe derjenige aus der ersten Ei ntspannüngsst-Llfe hinzu, so dass jene Stufe des Kompressors nunmehr die Summe des in den beiden letzten Entspannungsstufen entstandenen Dampfes zu verdichten hat und diese Stufe die Summe des in allen drei Stufen entstandenen Dampfes.
Wenn die Verdich- i.ung "bis 40 ausreichend ist, steht die Summe des gewonnenen. Dampfes mit dem dieser Sät- tigtingstemperat-Lu entsprechenden Druck zur Verfügung und wird durch die Leitung 3 ab geführt. Ist eine höhere Temperatur bzw. ein höherer Druck erforderlich, so muss dieselbe Dampfmenge entsprechend auf diesen höheren Druck weiter verdichtet werden. Der Rest des Wassers fliesst mit einer Temperatur von 10 durch die Leitung 4 ab.
In der beschriebenen Weise wird Wärme, die von der Wärmequelle abgegeben wird, zwecks zusätzlicher stufenweiser Verdamp fung von Arbeitsmittel - in diesem Falle ist Arbeitsmittel und wärmeabgebende Flüssig keit identisch - ausser in der letzten Ent spannungsstufe auch in vorgeschaltete Ent spannungsstufen eingeführt. Zieht man jedoch wegen ungünstiger Eigenschaften der wärme abgebenden Flüssigkeit, die eine unmittelbare Verwendung erschweren oder unmöglich ma chen, die indirekte Arbeitsweise unter Benut zung von Arbeitsmitteln, wie sie in der Kälte technik benutzt werden, oder auch von Wasser vor, so lässt sich eine andere Ausführungsform der Erfindung hierfür verwenden.
Diese ist in Abb. 2 schematisch dargestellt, wobei als wärmeabgebende Flüssigkeit wie derum Wasser gewählt wurde. Das Wasser strömt aus einem Sammelbehälter 5 mit einer Temperatur von 40 einem Wärmeaustauscher W1 zu, in dem es sich auf 10 abkühlt, wäh rend gleichzeitig ein durch das Entspannungs ventil E3 auf 0 abgekühlter und durch eine Pumpe P komprimierter Teilstrom eines Ar beitsmittels im Wärmeaustauscher W in flüs sigem Zustand von 0 auf 30 erwärmt wird. Dieser Teilstrom des Arbeitsmittels fliesst durch das Entspannungsventil E1' einem Ab- scheider 6 zu, welchem auch ein anderer Teil strom des Arbeitsmittels zugeführt wird.
Die ser Teilstrom fliesst aus einem Wärmeaustau- scher W2 zu und wird in dem Entspannungs ventil E1 entspannt, wobei seine Temperatur auf 20 herabgesetzt wird. Hierbei verdampft ein Teil des flüssigen Arbeitsmittels, der von einer unter entsprechendem Saugdruck arbei tenden Stufe eines Kompressors K angesaugt wird. Das Folgende entspricht genau dem, was oben zur Abb.1 gesagt wurde.
Die in den Entspannungsstufen erzeugten Dampfmengen werden je von der entsprechenden Stufe des Kompressors angesaugt, verdichtet und ge meinsam dem Wärmeailstauscher W2 zuge- führt und dort niedergeschlagen. Durch die dabei freiwerdende Wärme verdampft eine entsprechende Wassermenge. Der so erzeugte Dampf steht dann mit beispielsweise 40 zur weiteren Verwendung zur Verfügung und kann durch die Leitung 7 dem Verdampfer entnommen werden. Bei der zuletzt beschrie benen Ausführung wird der nicht verdampfte Rest des Arbeitsmittels nach der letzten Ent spannungsstufe durch von aussen zugeführte Wärme erwärmt und durch Pumpendruck wieder dem ersten Entspanner zugeführt.
Diese heisse Flüssigkeitsmenge erhöht die schon vorhandene Kreislaufmenge, wird mit dieser zusammen entspannt, liefert dabei zu sätzliche Dampfmengen, so dass auch in diesem Fall Teilwärmemengen, die von der Wärme quelle abgegeben werden (Flüssigkeit von 40 ), ausser in der letzten Entspannungsstufe auch in vorgeschaltete Entspannungsstufen eingeführt werden, Statt zur Verdampfung von Wasser kann man die Kondensationswärme des Arbeits mittels auch zur Erwärmung von Gasen, Dämpfen, Flüssigkeiten oder festen Körpern benutzen.
Bei der indirekten Arbeitsweise, d. h. also unter Verwendung eines vom wärmeabgeben den Medium unabhängigen Arbeitsmittels, er zielt man bei der nachfolgend beschriebenen Variante ähnliche Energieausbeuten wie beim vorhergehenden. Diese Variante unterscheidet sich von der beschriebenen Variante zunächst dadurch, dass man nicht einen einzigen Wärmeaustauscher nur nach der letzten Ent spannungsstufe, sondern jeder Entspannungs stufe einen Wärmeaustauscher zuordnet.
Abb. 3 zeigt eine solche Ausführungsform, wobei als wärmeabgebende Flüssigkeit wie derum Wasser dient. Dieses strömt aus eineng Sammelbehälter 7 mit einer Temperatur von 40 einem Wärmeaustauscher WI zu, indem es sich auf 30 abkühlt, während das mit 40 aus einem Wärmeaustauscher W4 in flüssigem Zustand austretende Arbeitsmittel nach seiner Entspannung in einem Entspannungsventil E1, die schon eine kleine Verdampfung be wirkt,
in dem Wärmeaitstauscher WI noeh eine zusätzliche Verdampfung infolge der Wärmezufuhr erfährt. Derselbe Vorgang wie derholt sich noch zweimal, wobei sich das Was ser von 30 auf 20 bzw. von 20 auf 10 ab kühlt und mit dieser Temperatur wegfliesst, während das auf 25 entspannte Arbeitsmittel in der zweiten Entspannungsstufe auf 12 und in der dritten Entspannungsstufe auf 0 ent spannt wird.
Die Wärme-, Wasser- und Ar beitsmittelmengen sind so aufeinander abge stimmt, dass durch die Entspannung in der dritten Entspannungsstufe und durch die Wärmezufuhr in W3 der noch flüssige Anteil des Arbeitsmittels völlig verdampft wird. Die erste Stufe des Kompressors saugt die bei der dritten Entspannung entstandene Dampf menge an, eine der folgenden Stufen diese und die bei der zweiten Entspannung entstandene, eine spätere Stufe endlich die bei der dritten, zweiten und ersten Entspannung entstandenen Dampfmengen.
Diese Stufe oder bei höherem Druckverhältnis eine oder einige weitere Stu fen drücken dann das dampfförmige Arbeits mittel dem Wärmeaustauscher W4 zu, in dem er unter Abgabe seiner Kondensationswärme an zu verdampfendes oder zu erwärmendes Wasser niedergeschlagen wird. Im Falle der Verdampfung von Wasser steht dann dessen Dampf mit 40 zur Verfügung. Bei einem Ver gleich der beschriebenen Ausführungsbeispiele mit den bisherigen muss man davon ausgehen, dass die Wärme bei einer Temperatur von 5 im verdampfenden Medium zu übertragen ist, wenn man beispielsweise die Abkühlung einer Flüssigkeit von 40 auf 10 voraussetzt. Dabei soll durchweg unterstellt werden, dass der Nutzdampf eine Sättigungstemperatur von 40 besitzen soll.
Dies setzt wiederum voraus, dass man bei Benutzung eines Arbeitsmittels dieses auf 45 verdichten muss, damit es bei seiner Kondensation einen Nutzdampf von 40 erzeugen kann.
Nach den bisherigen Verfahren müssen also die im Verdampfer bei 5 erzeugten Dämpfe des Arbeitsmittels in beispielsweise eine, zwei oder drei Stufen auf 45 verdichtet werden. Dabei werde als Vergleichsprozess ein solcher mit geringer Unterkühlung, Drosse lung und adiabatischer Verdichtung trocken gesättigt angesaugter Dämpfe zugrunde ge legt und lediglich die Leistungsziffer des theo retischen Prozesses ermittelt und angegeben.
Die Leistungsziffer beträgt für eine Ver dichtung in
EMI0003.0018
1 <SEP> 2 <SEP> 3 <SEP> Stufen
<tb> nach <SEP> dem <SEP> bisherigen <SEP> Verfahren <SEP> mit
<tb> Wasser <SEP> als <SEP> Arbeitsmittel <SEP> 6,6 <SEP> 7,3 <SEP> 8,0
<tb> mit <SEP> Monofluortrichlormethan <SEP> als
<tb> Arbeitsmittel <SEP> 7,4 <SEP> 7,7 <SEP> 7,8
<tb> für <SEP> das <SEP> Beispiel <SEP> nach <SEP> Abb.1 <SEP> unter <SEP> Benut zung <SEP> von <SEP> Wasser <SEP> für <SEP> das <SEP> Arbeitsmittel <SEP> 9,1 <SEP> 12,9 <SEP> 14,5
<tb> für <SEP> das <SEP> Beispiel <SEP> nach <SEP> Abb. <SEP> 2 <SEP> mit
<tb> Wasser <SEP> als <SEP> Arbeitsmittel <SEP> - <SEP> 8,6 <SEP> 8,9
<tb> mit <SEP> Monofluortrichlormethan <SEP> als
<tb> Arbeitsmittel <SEP> - <SEP> 9,1 <SEP> 9,2
<tb> für <SEP> das <SEP> Beispiel <SEP> nach <SEP> Abb.
<SEP> 3 <SEP> mit.
<tb> Wasser <SEP> als <SEP> Arbeitsmittel <SEP> - <SEP> 8,6 <SEP> 8,9
<tb> mit <SEP> Monofluortriehlormethan <SEP> als
<tb> Arbeitsmittel <SEP> - <SEP> 11,5 <SEP> 11,6 Aus den Zahlen ersieht man das beträchtliche Anwachsen der Leistungsziffer und. die deren Kehrwert proportionale Verringerung der für die Verdichtung erforderlichen Energie.
Der Grund für das Anwachsen der Lei stungsziffer bei der Variante nach Abb. 2 liegt darin, dass die Verdichtung nur teilweise in dampfförmigem Zustand vorgenommen wird, während ein Rest in flüssigem Zustand durch den Wärmeaustauscher W1 hindurch auf höheren Druck gebracht, wird. Dadurch kommt der geringere Energieaufwand durch Förderung in flüssigem Zustand gegenüber der Verdichtung in dampfförmigem Zustand zur Wirkung.
Bei der Variante nach Abb.3 wird der geringere Energieaufwand dadurch erzielt, dass die Wärme nicht nur bei der niedrigsten Temperatur von 5 , sondern bei einer oder einigen höheren Temperaturwerten, die um eine oder einige Stufen höher liegen, zuge führt wird.
Bei beiden Beispielen nach Abb. 2 und 3 verarbeitet bei beispielsweise zweistufiger Ver dichtung die zweite Stufe, ähnlich wie dies schon bei der Variante nach Abb. 1 erwähnt wurde, wesentlich grössere Dampfmengen als bei dem bisher üblichen Kreisprozess mit einem Arbeitsmittel, wenn man für die erste Stufe in allen Fällen dieselbe Ansaugleistung zugrunde legt.
Will man die Wärme der Umgebung und gleichzeitig auch diejenige einer Flüssigkeit ausnutzen, deren Temperatur noch genügend weit über der Temperatur der Umgebung liegt, so kann dies nach der in Abb.4 dar gestellten Variante geschehen. Das mit bei spielsweise 40 aus dem Wärmeaustauscher W5 austretende, verflüssigte Arbeitsmittel wird demgemäss in den Entspannungsventilen E1 bzw. E2 bzw.
E3 auf 30 bzw. 20 bzw. 10 entspannt, wobei das mit 40 aus einem Sam- melbehälter 8 zufliessende Wasser in dem Wärmeaustauscher W1 auf 35 , in W2 auf 30 und in W3 auf 20 abgekühlt wird und dabei jeweils zu der durch die Entspannung her vorgerufenen Verdampfung eine weitere Ver dampfung durch Wärmezufuhr erzielt. Der Rest des flüssigen Arbeitsmittels wird im Ventil E4 auf 0 entspannt und in einem Wärmeaustauscher W4 durch Abkühlung von Flusswasser beispielsweise von 8 auf 4 völlig verdampft. 'Die Vorgänge entsprechen im übrigen den zur Abb. 3 beschriebenen.
Das Wasser verlässt den Wärmeaustau- scher W3 mit 20 . Um auch dessen Wärme bis 10 oder weniger auszunützen, ist es not wendig, zwischen den Wärmeaustauschern W3 und W4 einen weiteren Wärmeaustauscher (nicht gezeigt) einzuschalten, in dem sich das Wasser von 20 auf 10 oder weniger abkühlt und dabei einen entsprechenden Anteil des Arbeitsmittels nach seiner Entspannung im Ventil E4 verdampft.
Der W ärmeaustauscher W4 hat dann nur den jetzt noch in flüssigem Zustand befindlichen Rest des Arbeitsmittels in den dampfförmigen Zustand überzuführen. Die Grösse des Wärmeaustauschers W4 wird also durch Anwendung des zusätzlichen Wär- meaustauschers verringert.
Natürlich beeinflusst die Temperatur der Flüssigkeit, mit der sie für eine Ausnützung zur Verfügung steht, und die Endtemperatur, auf die man sie abzukühlen beabsichtigt, sowie die Temperatur, mit der die Nutzwärme be nötigt wird, in. ihrem gegenseitigen Verhältnis die Ausbeute der unter dem Vorstehenden an gegebenen Varianten.
Man kann die in den einzelnen Entspannungsstufen und Wärme- austauschern erzielten Temperatursenkungen variieren, wobei man bestrebt ist, die Tempe- raturwerte zu finden, bei denen der Energie bedarf am geringsten ist.
Dann kann es aber auch notwendig oder vorteilhaft sein, bei einer mehrstufigen Entspannung des Arbeitsmittels den Wärmeaustauscher W1 bei den Varianten nach Abb. 3 und 4 wegfallen zu lassen und nur.
die übrigen vorzusehen, wenn die Tempe ratur der wärmeabgebenden Flüssigkeit nied riger ist aJs die Temperatur der Nutzungs- wärme oder aber die Wärmeaustauscher 41'1 und allenfalls W2 besonders gross vorzusehen und unter Umständen den Wärmeaustauscher W3 entfallen zu lassen, wenn die Temperatur der Flüssigkeit ebenso hoch oder höher ist als die Temperatur der Nutzungswärme.
Gegebenenfalls kann der Kompressor ein oder mehrere Male hinter einer entsprechen den Stufe angezapft und eine Dampfmenge oder Dampfmengen mit zwischen beispiels- weise 10 und 40 liegenden Temperaturen ent nommen werden, um Wärmemengen mit nied rigerer Temperatur als 40 zur Verfügung haben.
Alle Beispiele weisen den unter Umstän den ausschlaggebenden Vorteil auf, dass sie die ihnen zugeführte warme Flüssigkeit mit einer für Kühlzwecke erneut zur Verfügung stehenden, niedrigeren Temperatur zurück liefern und so dort besonders am Platze sind, wo die Beschaffung des erforderlichen Kühl wassers Schwierigkeiten bereitet oder wo die gekühlte Flüssigkeit für irgendwelche andern Kühlzwecke gebraucht wird.
Statt der isenthalpischen Entspannung kann auch eine energieabgebende adiabatische oder polytropische Entspannung der wärme abgebenden Flüssigkeit oder des Arbeitsmit tels vorgesehen werden.
Bei der Kompression der Dämpfe entsteht je nach dem Druckverhältnis, das die betref fenden Stufen des Kompressors zu überwin- clen haben, eine grössere oder kleinere Über hitzung des Dampfes, die durch Kühlung oder Flüssigkeitseinspritzung in die Druckleitun- gen auf den zweckdienlichen Wert von höch stens 20 über der entsprechenden Sättigungs temperatur gesenkt werden kann. Im letzten Fall erhöht die eingespritzte Flüssigkeits menge, die ohne weiteres aus dem Kondensat von beispielsweise W2 (Abb. 2) gedeckt wer den kann, die geförderte Dampfmenge und da mit die Leistungsziffer.
Bei der Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen des Verfahrens ist von dieser Überhitzung abge sehen und zur Wahrung der Übersicht jeweils nur von der Temperatur - gemeint ist die Sät tigungstemperatur, die dem jeweiligenDampf- druck zugeordnet ist - gesprochen.
Das höhere Temperaturniveau der in Dämpfen und Brüden enthaltenen Wärme wird mittels der Wärmepumpe normalerweise durch unmittelbare Verdichtung erreicht. Falls jedoch ungünstige Eigenschaften dieser Dämpfe und Brüden eine unmittelbare Ver wendung erschweren oder unmöglich machen, so erfolgt die Ausnützung ihrer Wärme nach den in Verbindungen mit den Abb.2 bis 4 beschriebenen Ausführungsformen, wobei an die Stelle der Abkühlung einer Flüssigkeit und damit der Wärmezufuhr an das Arbeits mittel die Kondensation der Dämpfe und Brüden in den Wärmeaustauschern tritt.
Da durch besteht die Möglichkeit, die Vorteile der Varianten nach Abb. 2 bis 4 und den da mit erzielten geringeren Energieverbrauch auch für die Hebung des Temperaturniveaus von Dämpfen und Brüden auszunützen. Selbst verständlich gilt auch hierfür, dass man einen oder einige der Wärmeaustauscher, je nach dem ob Dämpfe öder Brüden von einer oder verschiedenartigen Spannungen zur Verfü gung stehen oder ob deren Menge für die Be- heizung aller Wärmeaustäuscher ausreicht, wegfallen lassen kann.
Bei dem in Verbindung mit Abb.4 be schriebenen Beispiel kann an die Stelle der Wärmezufuhr aus der Umgebung oder aus Flüssigkeiten, die sich dabei abkühlen, Wärme entziehung aus einem zu kühlenden Gut tre ten. Es kann aber auch die erwähnte Wärme zufuhr beibehalten und zusätzlich in derselben Kompressions- und Entspannungsstufe und bzw. oder in vor- oder nachgeschalteten Stu fen die Wärmeentziehung aus einem zu küh lenden Gut vorgenommen werden.