Kältemaschine bzw. Wärmepumpe

Abstract

 Eine Kältemaschine bzw. Wärmepumpe mit einem eine Wärmequelle und -senke aufweisenden thermoakustischen Arbeitssystem. Das thermoakustische Arbeitssystem (28, 58, 66) ist mit wenigstens einem thermoakustischen Antriebssystem (22, 56, 64) gekoppelt. Die Wärmequelle (34, 82, 83) des jeweiligen Antriebssystems (22, 56, 64) weist eine höhere Temperatur auf als die Wärmequelle (50, 84, 85) des Arbeitssystems (28, 58, 66). (Figur 1)
Anwendung der Kältemaschine bzw. Wärmepumpe in einer Kälteanlage. Einem Kühlbehälter (84) wird über eine Wärmeübertragungsfläche (87) Wärmeenergie entnommen und als Wärmequelle im thermoakustischen Arbeitssystem (66) benutzt. (Figur 5)
Anwendung der Kältemaschine bzw. Wärmepumpe in einer Wärmepumpen-Heizanlage. Einem Brenner (83) wird über eine erste Wärmeübertragungsfläche (26) Wärmeenergie entnommen und als Wärmequelle im thermoakustischen Antriebssystem (56) benutzt. Im thermoakustischen Arbeitssystem wird Umgebungswärme (85) als Wärmequelle benutzt. Ein Brauchwasserkreislauf (90) wird als Wärmesenke des thermoakustischen Antriebssystems benutzt, während ein Heizwasser-Kreislauf (89) als Wärmesenke des thermoakustischen Arbeitssystems benutzt wird. (Figur 6)

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Kältemaschine bzw. Wärmepumpe mit einem eine Wärmequelle und -senke aufweisenden thermoakustischen Arbeitssystem.

[0002] Eine solche Kältemaschine bzw. Wärmepumpe ist z.B. in der Dissertation von Peter Merkli, "Theoretische und experimentelle thermoakustische Untersuchungen am kolbengetriebenen Resonanzrohr", Eidgenössische technische Hochschule, Zürich, 1973,Seiten 43 bis 45 und 73, beschrieben. Dabei wird die Luft in einem als thermoakustisches Arbeitss^ystem dienenden Resonanzrohr am unteren Ende desselben mittels eines Kolbens zu Schwingungen angeregt, während das obere Ende durch einen verstellbaren Dorn, der zugleich einen Druckgeber enthält, abgeschlossen ist. Für diese Vorrichtung kann man einen Gütegrad als Quotienten aus Kühlleistung und aufgewendeter mechanischer Energie des Kolbens definieren, analog zur Wärmepumpe.

[0003] Diese Vorrichtung weist jedoch den Nachteil auf, dass zum Antrieb des Kolbens eine verhältnismässig komplizierte Antriebseinrichtung benötigt wird, damit dieser eine sogenannte Sinusbewegung ausübt. Falls keine Sinusbewegung gewährleistet ist, wird im Resonanzrohr nicht nur die Grundschwingung angeregt, sondern es werden auch höhere harmonische Schwingungen erzeugt. Diese wirken sich besonders ungünstig aus in der Nähe von Resonanzen. Ein weiterer Nachteil ergibt sich bei der Schmierung und Kühlung des Sinusgetriebes und des Kolbens. Das beschriebene Kühlen und Schmieren durch Anblasen mit Druckluft, die mit einem Oelnebel vermengt wird, ist verhältnismässig kompliziert und gewährleistet keine genügende Betriebssicherheit.

[0004] Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, eine Wärmepumpe bzw. Kältemaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, welche in Bezug auf den Antrieb wesentlich einfacher und betriebssicherer ist.

[0005] Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die Massnahmen herbeigeführt, dass das thermoakustische Arbeitssystem mit wenigstens einem thermoakustischen Antriebssystem gekoppelt ist und dass die Wärmequelle des jeweiligen Antriebssystems eine höhere Temperatur aufweist als die Wärmequelle des Arbeitssystems.

[0006] Hierdurch lässt sich erreichen, dass die thermoakustische Schwingung im ersten System als Antrieb für die thermoakustische Schwingung im zweiten System dient, so dass der Umweg über einen mechanischen Antrieb entfällt. Indem thermische Energie direkt zur Erzeugung der thermoakustischen Schwingungen im Arbeitssystem genutzt werden kann, wird der Gesamtwirkungsgrad erhöht und die Gesamtanlage kann wesentlich einfacher und kompakter gestaltet werden. Durch Wegfall der mechanischen Antriebsteile mit den damit verbundenen Verschleiss- und Schmierproblemen wird die Betriebssicherheit zudem wesentlich erhöht.

[0007] Da sich im Antriebssystem auch Wärmequellen mit verhältnismässig tiefen Temperaturen verwenden lassen, wird zudem der Einsatzbereich der Wärmepumpe bzw. Kältemaschine erweitert.

[0008] Nach einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung kann wenigstens ein beidseitig geschlossener Hohlkörper dem Antriebs- bzw. Arbeitssystem zugeordnet sein. Hierdurch können verschiedene thermoakustische Arbeitsmedien sowie Hohlkörper verschiedener Grösse zur Anwendung gelangen.

[0009] Das Antriebs- und Arbeitssystem können in einem gemeinsamen rohrförmigen Hohlkörper enthalten sein. Dabei wird der Vorteil einer direkten Uebertragung der thermoakustischen Schwingung vom Antriebssystem auf das Arbeitssystem erreicht.

[0010] Weiter können Antriebs- und Arbeitssystem durch einen Kolben voneinander getrennt sein. Dabei ergibt sich der Vorteil, dass Antriebs- und Arbeitssystem verschiedene Kolbendurchmesser aufweisen können.

[0011] Das Antriebs- und Arbeitssystem können durch die Schenkel eines U-Rohres gebildet sein. Hierdurch wird eine besonders kompakte räumliche Anordnung der Systeme erreicht.

[0012] Dabei können die Schenkel des U-Rohres durch eine Flüssigkeit voneinander getrennt sein. Hierdurch lässt sich eine besonders einfache Trennung der Systeme erreicht, so dass z.B. mit verschiedenen Arbeitsmedien gearbeitet werden kann.

[0013] Mindestens eines der thermoakustischen Systeme kann einen durch Trennwände in parallele Kanäle unterteilten Hohlraum aufweisen. Hierdurch lässt sich eine zusätzliche Verbesserung des Wirkungsgrades erreichen.

[0014] Dabei können die Trennwände als Heiz- bzw. Kühlwände ausgebildet sein. Hierdurch wird eine besonders wirkungsvolle Heizung bzw. Kühlung der einzelnen Kanäle herbeigeführt. Die Kältemaschine bzw. Wärmepumpe kann in einer Kält_Eanlage angewendet werden, wobei einem Kühlbehälter über eine Wärmeübertragungsfläche Wärmeenergie entnommen und als Wärmequelle im thermoakustischen Arbeitssystem benutzt wird. Hierbei ergibt sich schon bei verhältnismässig geringer Temperatur der Wärmequelle im Antriebssystem eine brauchbare Kühlwirkung im Arbeitssystem, so dass z.B. auch sonst unbrauchbare Abwärme ökonomisch verwertet werden kann.

[0015] Schliesslich kann die Kältemaschine bzw. Wärmepumpe in einer Heizungsanlage angewendet werden, wobei ein Brenner als Wärmequelle im thermoakustischen Antriebssystem benutzt wird, wobei ferner im thermoakustischen Arbeitssystem Umgebungswärme als Wärmequelle benutzt wird, und ein Brauchwasserkreislauf als Wärmesenke des thermoakustischen Antriebssystems zur Erzeugung von Brauchwasser benutzt wird, während ein Heizwasserkreislauf als Wärmesenke des thermoakustischen Arbeitssystems zur Erzeugung von Heizwasser für die Heizkörperanlage benutzt wird. Hier ergibt sich der Vorteil einer besonders einfachen und wirtschaftlichen Erzeugung von Nutzwasser verschiedener Temperaturstufen.

[0016] Die nähere Erläuterung der Erfindung erfolgt anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit nachstehender Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführung der Erfindung mit einer an sich bekannten Kolbenmaschine als Arbeitssystem, welche mit einem thermoakustischen Antriebssystem gekoppelt ist,

Fig. 2 eine Ausführung der Erfindung ohne mechanischen Kolben,

Fig. 3 eine Ausführung der Erfindung mit einem U-Rohr, in welchem eine als Kolben dienende Flüssigkeit enthalten ist,

Fig. 4 eine Weiterbildung der Ausführung gemäss Fig. 3,

Fig. 5 ein Anwendungsbeispiel der erfindungsgemässen Kältemaschine bzw. Wärmepumpe in einer Kälteanlage, und

Fig. 6 ein Anwendungsbeispiel der erfindungsgemässen Kältemaschine bzw. Wärmepumpe in einer Heizungsanlage.

[0017] Ein Doppelkolben 10 (Fig. 1) weist zwei Teilkolben 12, 14 mit Kolbenringen 16, 18 auf, wobei der Teilkolben 12 über das Mittelstück 20 mit dem Teilkolben 14 verbunden ist und grösseren Durchmesser aufweist als dieser. Der Teilkolben 12 gleitet in einem einseitig geschlossenen Rohr 22 mit Wärmeübertragungsflächen 24, 26, während der Teilkolben 14 im entsprechenden Rohr 28 mit den Wärmeübertragungsflächen 30, 32 geführt ist. In den Rohren befindet sich ein gasförmiges Medium 33, z.B. Luft.

[0018] Für ein Betriebsbeispiel der beschriebenen Kältemaschine bzw. Wärmepumpe wird angenommen, dass das Rohr 22 als thermoakustisches Antriebssystem vorgesehen ist, wobei die Wärmeübertragungsfläche 26 gemäss dem Pfeil 34 mit Heissluft als Wärmequelle bestrichen wird, während von der Wärmeübertragungsfläche 24 Wärme an die als Wärmesenke dienende Umgebung bzw. ein Heizsystem gemäss dem Pfeil 36 abgeführt wird.

[0019] Dabei werden thermoakustische Schwingungen im Rohr 22 angefacht, durch welche der Doppelkolben 10 gemäss Doppelpfeil 38 in eine oszillierende Bewegung versetzt wird, welche durch die Anschlagflächen 40, 42 am Mittelstück 20 bzw. 44, 46 an den Rohren 22, 28 begrenzt wird. Durch die oszilierende Bewegung des Teilkolbens 14 im als Arbeitssystem dienenden Rohr 28 werden thermoakustische Schwingungen in diesem angefacht, wobei der Wärmeübertragungsfläche 30 Wärme aus einem Kühlbehälter bzw. aus der Umgebung als Wärmequelle gemäss Pfeil 50 zugeführt wird und von der Wärmeübertragungsfläche 32 Wärme gemäss Pfeil 52 an die als Wärmesenke dienende Umgebung bzw. an das Heizsystem abgeführt wird. Die Temperatur der Wärmeübertragungsfläche 30 ist dabei niedriger als die Temperatur der Wärmeübertragungsfläche 32. Dabei ist die Temperatur der Wärmequelle gemäss den Pfeilen 34 höher als diejenige gemäss den Pfeilen 50.

[0020] Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind die Wärmeübertragungsflächen 24, 26 bzw. 30, 32 an einem einzigen beidseitig geschlossenen Rohr 54 angebracht, dessen Rohrteile 56, 58 als Antriebs- bzw. Arbeitssystem dienen.

[0021] Der Betrieb entspricht im wesentlichen dem vorherigen Beispiel, mit dem Unterschied, dass die im Rohrteil 56 angefachten thermoakustischen Schwingungen direkt gemäss Doppelpfeil 60 auf den Rohrteil 58 durch das gasförmige Medium 33 übertragen werden.

[0022] Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist statt des Rohres 54 ein U-Rohr 62 vorgesehen, dessen Schenkel mit 64, 66 bezeichnet sind. Im unteren Teil des U-Rohres befindet sich ein flüssiges Medium 68.

[0023] Der Betrieb entspricht im wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1, mit dem Unterschied, dass in diesem Fall das flüssige Medium 68 als Kolben dient und eine oszillierende Bewegung gemäss Doppelpfeil 70 ausführt.

[0024] Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 4 sind die Schenkel 72, 74 des U-Rohres 62 durch Trennwände 76 in parallele Kanäle 78 unterteilt. Durch Bohrungen 80, 81, welche als Heiz- bzw. Kühlleitungen für ein Wärmeübertragungsmedium dienen,sind die Trennwände 76 als Heiz- bzw. Kühlwände ausgebildet, wobei die Wärmezu- bzw. Wärmeabfuhr sowie der Betrieb dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3 entspricht. Durch die parallelen Kanäle 78 wird jedoch eine Erhöhung der Nutzleistung erzielt, da die Kanäle einer Vielzahl von parallel geschalteten thermoakustischen Schwingungssystemen entsprechen.

[0025] Beim Anwendungsbeispiel in einer Kälteanlage (Fig. 5) dient eine Elektroheizung 82 als Wärmequelle im thermoakustischen Antriebssystem 64, während im thermoakustischen Arbeitssystem 66 ein Kühlbehälter 84 als Wärmequelle dient. Ueber einen Kühlkreislauf 86 mit einer Wärmeübertragungsfläche 87 und einer Pumpe 88 ist der Kühlbehälter 84 mit dem thermoakustischen Arbeitssystem 66 verbunden.

[0026] Beim Betrieb der Anlage wird von der Wärmequelle 82 ein Wärmestrom von 100 Watt bei einer Temperatur von 350 C zugeführt, während von der Wärmequelle 84 ein Wärmestrom von 75 Watt bei -10° zugeführt wird, was somit der Kälteleistung bezüglich des Kühlbehälters 84 entspricht. Bei den Wärmeübertragungsflächen 24, 32 wird jeweils ein Wärmestrom von 80 bzw. 95 Watt mit einer Temperatur von 20° C an die als Wärmesenke dienende Umgebung abgeführt.

[0027] Beim Anwendungsbeispiel in einer Heizungsanlage (Fig. 6) dient ein Oel- oder Gasbrenner 83 als Wärmequelle im thermoakustischen Antriebssystem 56, während im thermoakustischen Arbeitssystem 58 ein Umgebungswärme-Kreislauf 85 als Wärmequelle dient. Als Wärmesenke im thermoakustischen Antriebssystem 56 dient ein Brauchwasserkreislauf 90, während ein Heizwasserkreislauf 89 als Wärmesenke im thermoakustischen Arbeitssystem 58 dient.

[0028] Beim Betrieb der Anlage wird der Wärmeübertragungsfläche 26 von der Wärmequelle 83 ein Wärmestrom von 10 kW bei einer Temperatur von 450° C zugeführt, während der Wärmeübertragungsfläche 30 ein Wärmestrom von 6 kW bei 0° C von der als Wärmequelle dienenden Umgebung zugeführt wird. Dem Brauchwasserkreislauf 90 wird ein Wärmestrom von 7,8 kW bei einer Temperatur von 55° C zugeführt, während dem Heizwasserkreislauf 89 ein Wärmestrom von 8,2 kW bei 40° C zugeführt wird.

[0029] Es versteht sich, dass die Rohre 22, 28 bzw. Schenkel 64, 66 auch verschiedene Medien enthalten können.

Ansprüche

1. Kältemaschine bzw. Wärmepumpe mit einem eine Wärmequelle und -senke aufweisenden thermoakustischen Arbeitssystem, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoakustische Arbeitssystem (28, 58, 66) mit wenigstens einem thermoakustischen Antriebssystem (22, 56, 64) gekoppelt ist und dass die Wärmequelle (34, 82, 83) des jeweiligen Antriebssystems (22, 56, 64) eine höhere Temperatur aufweist als die Wärmequelle (50, 84, 85) des Arbeitssystems (28, 58, 66).

2. Kältemaschine bzw. Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein beidseitig geschlossener Hohlkörper (22, 28, 54, 62) dem Antriebs- bzw. Arbeitssystem zugeordnet ist.

3. Kältemaschine bzw. Wärmepumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Antriebs- und Arbeitssystem in einem gemeinsamen rohrförmigen Hohlkörper (54, 62) enthalten sind.

4. Kältemaschine bzw. Wärmepumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Antriebs- und Arbeitssystem durch einen Doppethoibem (10) voneinander getrennt sind.

5. Kältemaschine bzw. Wärmepumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebs- und Arbeitssystem durch die Schenkel (64, 66) eines U-Rohres (62) gebildet sind.

6. Kältemaschine bzw. Wärmepumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schenkel (64, 66) des U-Rohres (62) durch eine Flüssigkeit (68) voneinander getrennt sind.

7. Kältemaschine bzw. Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der thermoakustischen Systeme (22, 56, 64; 28, 58, 66) einen durch Trennwände (76) in parallele Kanäle (78) unterteilten Hohlraum aufweist.

8. Kältemaschine bzw. Wärmepumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwände (76) Heiz- bzw. Kühlleitungen (80, 81) aufweisen.

9. Anwendung der Kältemaschine bzw. Wärmepumpe nach Anspruch 1 in einer Kälteanlage, dadurch gekennzeichnet, dass einem Kühlbehälter (84) über eine Wärmeübertragungsfläche (87) Wärmeenergie entnommen und als Wärmequelle im thermoakustischen Arbeitssystem (66) benutzt wird.

lO.Anwendung der Kältemaschine bzw. Wärmepumpe nach Anspruch 1 in einer Heizungsanlage, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brenner (83) als Wärmequelle im thermoakustischen Antriebssystem (56) benutzt wird, dass im thermoakustischen Arbeitssystem (58) Umgebungswärme (85) als Wärmequelle benutzt wird, und dass ein Brauchwasserkreislauf (90) als Wärmesenke des thermoakustischen Antriebssystems benutzt wird, während ein Heizwasser-Kreislauf (89) als Wärmesenke des thermoakustischen Arbeitssystems dient.

Zeichnung