..BECH......FRGB........NLSE......................
C
0000001
EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG
A1
19781220
EP
78200013.7
19780601
de
de
de
2739689
19770902
DE
19781220
197801
19781220
197801
2
2F 28D 15/00 A
2F 24J 3/04 B
de
Thermische Wärmepumpe
en
Thermal heat pump
fr
Pompe de chaleur thermique
EUROPÄISCHE ATOMGEMEINSCHAFT (EURATOM)
00200160
30 150 - EU
ATOMGEMEINSCHAFT (EURATOM), EUROPÄISCHE
(EURATOM), EUROPÄISCHE ATOMGEMEINSCHAFT
Bâtiment Jean Monnet Plateau du Kirchberg Boîte Postale 1907
L-1019 Luxembourg
LU
Busse, Claus Adolf, Dr.
22, Via Piaggio
I-21038 Arolo di Leggiuno (Varese)
IT
Wey, Hans-Heinrich, Dipl.-Ing.
et al
00013062
c/o Kanzlei Hansmann, Vogeser und Partner Albert Rosshaupter-Strasse 65
81369 München
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GB
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SE
Die Erfindung betrifft eine thermische Wärmepumpe. welche aus einem Warmerohr (11) besteht. in welchem der zwischen der Wärmeubertragungszone zur Wärmezufuhr und der Warmeubertragungszone zur Wärmeabfuhr befindliche Dampfkanal (16) einen sich über seine Länge ändernden, die Stromungsgeschwindigkeit des Dampfes zunächst erhöhenden und dann erniedrigenden Querschnitt aufweist und bei welchem sich im Bereich der erhöhten Dampfgeschwindigkeit eine weitere Wärmeubertragungszone mit Wärmezufuhr oder -abfuhr befindet Die erhöhte Dampfgeschwindigkeit kann im Unterschallbereich oder im Ueberschallbereich liegen. Die Querschnittsänderung des Dampfkanals (16) im Wärmerohr (11) zwischen den beiden äusseren Wärmeübertragungszonen wird vorteilhafterweise durch einen Verdrängungskörper (13) mit bestimmter Oberflächenkontur bewirkt.
Um Wärme von einem tieferen auf ein höheres Temperaturniveau zu heben, muß ein Kompensationsprozeß Anwendung finden, so daß die Gesamtentropie aller beteiligten Stoffe nicht abnimmt. Bei den bisher allgemein üblichen Wärmepumpen wird ein Kompensationsprozeß mit Arbeitsverbrauch angewandt; der Arbeitsverbrauch beruht auf dem Betrieb eines Kompressors.
Überlegungen haben dazu geführt, den Kompensationsprozeß auch durch Wärme anzutreiben, und zwar derart, daß bei einer mittleren Temperatur T_o Wärme eingespeist wird und diese sowohl bei einer tieferen Temperatur T als auch bei einer höheren Temperatur T_2 wieder abgegeben wird. Eine derartige thermische Wärmepumpe, die Gegenstand der Erfindung ist, wird somit durch das Temperaturgefälle zwischen T und T_1 angetrieben, wobei der thermische Wirkungsgrad sich aus folgender Beziehung errechnen läßt:
wobei Q_o der aufgenommene Wärmestrom und Q_2 der Nutzwärmestrom bei der Temperatur T_2 ist.
Derart arbeitende thermische Wärmepumpen sind von großem Interesse zur Ausnutzung der durch Sonneneinstrahlung hervorgerufenen Temperaturdifferenzen, insbesondere zum Zwecke des Aufheizens von Wasser oder anderen Medien für Heizungszwecke, zur Bereitstellung von Warmwasser u.dgl.
Die erfindungsgemäß ausgebildete thermische Wärmepumpe besteht aus einem Wärmerohr, in welchem der zwischen der Wärmeübertragungszone zur Wärmezufuhr und der Wärmeübertragungszone zur Wärmeabfuhr befindliche Dampfkanal einen sich über seine Länge ändernden, die Strömungsgeschwindigkeit des Dampfes zunächst erhöhenden und dann erniedrigenden Querschnitt aufweist und sich im Bereich der erhöhten Dampfgeschwindigkeit eine weitere Wärmeübertragungszone mit Wärmezufuhr oder -abfuhr befindet.
Bei einer Ausführungsform des Gegenstands der Erfindung besteht die thermische Wärmepumpe aus einem Wärmerohr, in dessen Dampfkanal zwischen dem Wärmezufuhr- bzw. Verdampferbereich und dem Wärmeabfuhr- bzw. Nutzkondensatorbereich ein die Dampfgeschwindigkeit ändernder Verdrängungskörper angeordnet ist.
Der vor dem Verdrängungskörper befindliche Bereich ist der Verdampferbereich "V", in welchem bei einer mittleren Temperatur T der Wärmestrom Q_o zugeführt wird. Der Bereich in etwa in der Mitte des Verdrängungskörpers ist der sogenannte Treibkondensatorbereich "TK", in welchem bei einer mittleren Temperatur T_{1'} die unterhalb der Temperatur T_o liegt, ein Teil des Dampfes kondensiert, wobei der Wärmestrom Q_1 abgeführt wird. Hinter dem Verdrängungskörper befindet sich der Nutzkondensatorbereich "NK", in welchem bei einer mittleren Temperatur T_2 der Restdampf kondensiert und der Nutzwärmestrom Q_2 abgegeben wird. Das im Treibkondensatorbereich "TK" und im Nutzkondensatorbereich "NK" anfallende Kondensat wird durch eine geeignete, an sich bekannte Kapillarstruktur, mit welcher die Innenwand des Wärmerohres in üblicher Weise ausgekleidet ist, zum Verdampferbereich "V" zurückgeführt.
Auch kann die Betriebsweise der vorbeschriebenen Ausführungsform der Wärmepumpe gemäß der Erfindung derart abgeändert werden, daß sie thermodynamisch umgekehrt wird, was dazu führt, daß der Treibkondensatorbereich dann zu einem zweiten Verdampferbereich wird. Dadurch kann eine relativ große Wärmemenge von einer tiefen Temperatur zu einer mittleren Temperatur transportiert werden.
Weitere Merkmale der erfindungsgemäßen thermischen Wärmepumpe gehen aus der nachfolgenden Beschreibung zweier bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie den Unteransprüchen hervor. Die beiden Figuren 1 und 2 der Zeichnungen zeigen in schematischer Darstellung eine thermische oder Dampfstrahl-Wärmepumpe mit Unterschallströmung im einen Falle und mit Überschallströmung im zweiten Falle.
Die Wärmepumpe für Unterschallströmung nach Fig. 1 besteht aus einem Wärmerohr 11, an dessen Innenwand eine Kapillarstruktur 12 angeordnet ist. Im Innenraum des Wärmerohres 11 befindet sich in gleichmäßigem Abstand von der Kapillarstruktur 12 der Verdrängungskörper 13, der in seinem vorderen Bereich 14 eine Form besitzt, daß zwischen ihm und der Kapillarstruktur 12 eine Düse 15 gebildet ist, in welcher sich der Querschnitt des Dampfkanals 16 verkleinert. Hinter der Düse verringert sich der Querschnitt des Dampfkanals 16 zwischen dem Mittelstück 17 des Verdrängungskörpers 13 und der Kapillarstruktur 12 infolge der Form des Verdrängungskörpers geringfügig. In diesem Bereich wird durch Kühlung ein Teil des Dampfes kondensiert. Der hiermit verbundene Druck- und Temperaturanstieg wird durch die Querschnittsabnahme des Dampfkanals im wesentlichen unterbunden. Der hintere Teil 18 des Verdrängungskörpers 13 ist kegelförmig ausgebildet, so daß sich der Querschnitt des Strömungskanals 16 dem Öffnungswinkel des Kegels entsprechend erweitert und einen Diffusor 19 bildet.
Vorteilhafterweise ist die Kapillarstruktur 12 im Bereich des Verdrängungskörpers 13 im Hinblick auf die hohen Druckunterschiede längs der Wärmepumpe mit einer dünnwandigen Abdeckung 20 versehen, die zur Vermeidung eines Abhebens infolge Unterdrucks ausreichend fest mit der Kapillarstruktur bzw. dem Rohrkörper des Wärmerohres 11 verbunden sein muß. Sie hat den Zweck, das anfallende Kondensat vermittels der Scherwirkung des Dampfstromes auf der Abdeckung zunächst in die Nutzkondensatorzone zu treiben, in welcher der Druck höher ist als in der Verdampferzone, wo er seinerseits höher ist als in der Treibkondensatorzone.
Die thermische Wärmepumpe mit Überschallströmung nach Fig.2 hat grundsätzlich den gleichen Aufbau wie diejenige nach Fig. 1. Der wesentliche Unterschied besteht darin, daß der Verdrängungskörper 13' derart geformt ist, daß die Düse 15' wie auch der Diffusor 19' einen konvergenten und einen divergenten Teil aufweisen, wobei der Übergang von der Unterschall- zur Überschallströmung an der engsten Stelle erfolgt.
Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen thermischen Wärmepumpe ist folgende:
- Im Verdampfer 21 wird bei einer mittleren Temperatur T der Wärmestrom Q_o zugeführt. In der durch den vorderen Teil des Verdrängungskörpers 13 gebildeten Düse 15 verkleinert sich der Querschnitt des Dampfkanals 16, wodurch der Dampf expandiert. Hierbei kühlt er sich ab und kondensiert teilweise im anschließenden Treibkondensator 22 bei einer mittleren Temperatur T_1 < T_0, wobei der Wärmestrom Q_1 abgeführt wird. Die kinetische Energie des kondensierten Dampfes verbleibt im Restdampf, so daß dessen spezifische kinetische Energie ansteigt. Die üblicherweise in einem Kondensator in Strömungsrichtung auftretende Kompression mit entsprechendem Temperaturanstieg wird durch die Expansion des Dampfes im Treibkondensator 22 vermieden, und zwar durch entsprechende Verkleinerung des Dampfkanalquerschnitts. Im anschließenden Diffusor 19 wird der Dampf durch die Vergrößerung des Dampfkanalquerschnitts komprimiert, wobei sich dessen kinetische Energie in Druck umwandelt und die Temperatur des Dampfes ansteigt. Im sich an den Diffusor 19 anschließenden Nutzkondensator 23 wird bei einer mittleren Temperatur T_2 der Restdampf kondensiert, wobei der Nutzwärmestrom Q_2 abgegeben wird. Da die spezifische kinetische Energie des Dampfes beim Eintritt in den Diffusor 19 höher liegt als beim Austritt aus der Düse 15, können im Nutzkondensator 23 höhere Temperaturen als im Verdampfer 21 erzielt werden.
Das im Treibkondensator 22 und im Nutzkondensator 23 anfallende Kondensat wird über die Kapillarstruktur 12 an der Innenwand des Wärmerohres 11 zum Verdampfer 21 zurückgeführt.
Für eine thermische Wärmepumpe mit einer Wärmezufuhr von Qo = 1 kw ist folgende Dimensionierung vorzusehen:
- Wärmeträger: H_2^0
- Wandmaterial: Cu
- T_0: 30° C --- T_1: 25° C --- T_2: 35° C
Dampfkanal-Querschnitt im Verdampfer: 6,7 cm^2 Dampfkanal-Querschnitt am Ausgang Düse: 1,9 cm^2 Dampfkanal-Querschnitt am Ausgang Treibkondensator: 1,0 cm^2 Machzahl am Ausgang der Düse: 0,69
Machzahl am Ausgang des Treibkondensators: 0,97.
Die mit Unterschallströmung erreichbaren Temperaturdifferenzen betragen nur wenige Prozent der Absoluttemperatur, wie sich aus den vorstehenden Daten ergibt. Mit der thermischen Wärmepumpe mit Überschallströmung lassen sich größere Temperaturdifferenzen erzielen.
Es ist auch eine Ausführungsform der thermischen Wärmepumpe möglich, bei welcher eine Unterschalldüse nach Fig. 1 verwendet wird, der Übergang zur Überschallströmung im Treibkondensator erfolgt und anschließend ein Überschalldiffusor nach Fig. 2 benutzt wird.
Das Kondensat wird in bekannter Weise mittels der Kapillarstruktur an der Innenwand des Wärmerohres zum Verdampfer zurückgeführt. Die Rückführung erfolgt im wesentlichen aufgrund der Kapillarkräfte, die gegebenenfalls durch die Schwerkraft unterstützt werden können. Es ist aber auch möglich, wie erwähnt, zum Antrieb der Flüssigkeitsströmung in der Kapillarstruktur zusätzlich den höheren Druck im Nutzkondensator auszunutzen.
Weiterhin ist es möglich, den abgedeckten Teil der Kapillarstruktur im Inneren des Wärmerohres durch ein oder mehrere Röhrchen, Kanäle od.dgl. zu ersetzen, die gegebenenfalls auch auf der Außenseite des Wärmerohres angeordnet sein können, um die Dampfströmung möglichst wenig zu beeinträchtigen.
Zweckmäßigerweise wird der Verdrängungskörper im Innenraum des Wärmerohres auf einem axial angeordneten Tragstab gelagert, der vorzugsweise thermisch isoliert ausgebildet ist oder aus Wärme schlecht leitendem Material besteht.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, in der Nutzkondensatorzone und gegebenenfalls auch in der Verdampferzone in etwa kegelförmige Verdrängungskörper anzuordnen, deren Grundflächen den Stirnflächen des Wärmerohres zugekehrt sind.
Vorteilhafterweise verwendet man ein zylindrisches Wärmerohr mit Kapillarstruktur-Auskleidung und Abdeckung, in welchem ein Verdrängungskörper mit der gewünschten Querschnittsform angeordnet ist. Man kann selbstverständlich auch einen Verdrängungskörper verwenden, der zumindest in seinem mittleren Teil zylindrisch ausgebildet ist, so daß dann die Querschnitte des Dampfkanals in den verschiedenen Bereichen durch die Wände des Wärmerohres bestimmt sind. Diese Lösung ist jedoch weniger vorteilhaft. Die beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen haben wesentliche Vorteile, da Verluste durch Grenzschichtablösung im Treibkondensator und Diffusor und Temperaturverluste durch eine größere Wärmeübertragungsfläche im Treibkondensator vermieden werden; überdies sind die konstruktive Form und die Herstellbarkeit wesentlich einfacher sowie stabiler.
Bei einem praktischen Anwendungsbeispiel zum Zwecke optimaler Nutzbarmachung von Solarenergie könnte das Wärmerohr derart angeordnet sein, daß die der thermischen Wärmepumpe im Verdampferbereich zugeführte Wärmemenge Q von Sonnenstrahlen stammt; die Wärmemenge Q wird durch ein Kühlmittel abgeführt, beispielsweise in einem den Sonnenstrahlen nicht ausgesetzten Bereich, und die im Nutzkondensator anfallende Wärmemenge Q_2 könnte zur Aufheizung eines Nutzmediums benutzt werden.
Die erfindungsgemäße thermische Wärmepumpe bietet den Vor- . teil geringerer Verluste, einer kleinen und einfachen Konstruktion sowie der Wartungsfreiheit, woraus sich geringe Anschaffungs- und Betriebskosten ergeben.
Schließlich kann die veränderliche Ausgestaltung des Querschnitts des Dampfkanals des Wärmerohrs auch dadurch erzielt werden, daß der Verdrängungskörper fortgelassen und statt dessen das Wärmerohr querschnittsmäßig entsprechend der erforderlichen Kanalkonfiguration veränderlich ausgebildet wird und somit die gleichen Strömungseffekt erzielt werden wie im Falle der beschriebenen Ausführungsbeispiele.
1. Thermische Wärmepumpe, gekennzeichnet durch ein Wärmerohr, in welchem der zwischen der Wärmeübertragungszone zur Wärmezufuhr und der Wärmeübertragungszone zur Wärmeabfuhr befindliche Dampfkanal einen sich über seine Länge ändernden, die Strömungsgeschwindigkeit des Dampfes zunächst erhöhenden und dann erniedrigenden Querschnitt aufweist und daß sich im Bereich der erhöhten Dampfgeschwindigkeit eine weitere Wärmeübertragungszone mit Wärmezufuhr oder -abfuhr befindet.
2. Thermische Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Dampfkanal des Wärmerohrs zwischen dem Verdampferbereich und dem Nutzkondensatorbereich ein die Dampfgeschwindigkeit ändernder Verdrängungskörper angeordnet ist.
3. Thermische Wärmepumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Querschnittsfläche des Dampfkanals (16) längs des vorderen Teils (14) des Verdrängungskörpers (13) in Strömungsrichtung düsenartig verkleinert, längs des mittleren Teils (17) des Verdrängungskörpers (13) geringfügig verkleinert und längs des hinteren Teils (18) des Verdrängungskörpers (13) sich diffusorartig erweitert, wobei die Querschnittsänderungen des Dampfkanals derart bemessen sind, daß die Machzahl der Dampfströmung an jeder Stelle unterhalb 1,0 liegt.
4. Thermische Wärmepumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Querschnittsfläche des Dampfkanals längs des vorderen Teils des Verdrängungskörpers in Strömungsrichtung düsenartig verkleinert, längs des mittleren Teils des Verdrängungskörpers geringfügig vergrößert und längs des hinteren Teils des Verdrängungskörpers sich diffusorartig erweitert, wobei die Querschnittsänderungen des Dampfkanals derart bemessen sind, daß die Machzahl der Dampfströmung an jeder Stelle unterhalb 1,0 liegt.
5. Thermische Wärmepumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (15) und der Diffusor (19) jeweils aus einem konvergenten und einem divergenten Teil bestehen, wobei die Querschnittsänderungen des Dampfkanals (16) derart bemessen sind, daß die Machzahl des in den Bereich der erhöhten Dampfgeschwindigkeit (TK) eintretenden Dampfes über 1,0 liegt.
6. Thermische Wärmepumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (15) eine Unterschalldüse ist, daß die Querschnittsverhältnisse im Dampfkanal (16) derart bemessen sind, daß der Übergang von der Unterschallzur Überschallströmung im Bereich der erhöhten Dampfgeschwindigkeit (TK) erfolgt, und daß der Diffusor (Di) ein Überschalldiffusor ist.
7. Thermische Wärmepumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarstruktur (12) längs der Innenwand des Wärmerohres (11) in etwa über die Länge des Verdrängungskörpers (13) gegen den Dampfkanal (16) mit einer Abdekkung (20) versehen ist.
8. Thermische Wärmepumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in etwa im Bereich des Verdrängungskörpers (13) die Kapillarstruktur (12) ganz oder teilweise durch innerhalb oder außerhalb der Rohrwandung des Wärmerohrs (11) angeordnete Röhrchen, Kanäle od.dgl. ersetzt ist.
9. Thermische Wärmepumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängungskörper (13) auf einem thermisch isolierten axialen Haltestab gelagert ist.
10. Thermische Wärmepumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Nutzkondensatorberei (NK) und gegebenenfalls im Verdampferbereich (V) in etwa kegelförmige Verdrängungskörper angeordnet sind, deren Grundflächen den Stirnwänden des Wärmerohres (11) zugekehrt sind.