[0001] Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe, deren Arbeitsmedium aus der Mischung von
ineinander gut lösbaren Medien mit unterschiedlichen Siedepunkten besteht und in welcher
die Kondensation und die Verdampfung bei einer sich verändernden Temperatur vor sich
geht, mit einem oder mehreren Verdichtern, Verdampfern, Kondensatoren und druckreduzierenden
Elementen sowie diese Einheiten verbindenden Rohrleitungen.
[0002] Die Anwendungsmöglichkeiten der Wärmepumpen und die Verbesserungs- möglichkeiten
ihres Leistungsfaktors werden weltweit erforscht und untersucht.
[0003] Mit den zur Zeit verwendeten Wärmepumpen versucht man am meisten sich dem sogenannten
Carnot-Prozess anzunähern, der einen isothermischen Wärmeentzug und eine isothermische
Wärmeabgabe mit zwei isentropischen Zustandsänderungen verbindet.
[0004] Es ist bekannt, daß zwischen Wärmespeichern konstanter Temperatur der CarnotProzess
den theoretisch optimalen Wärmepumpen-Kreisprozess darstellt. In der technischen Praxis
erfüllt jedoch eine Wärmequelle (zB. ein großer Fluß oder See bzw. die Luft) nur selten
und der Wärmeverbraucher überhaupt nicht die Bedingung, ein unendlich großer (d.h.
isothermisch zu betrachterder) Wärmespeicher zu sein. Die energetisch günstigeren
Voraussetzungen (Abfallwärme, Thermalwasser usw.) schließen praktisch diese Möglichkeit
bei der Wärmequelle ebenfalls aus.
[0005] Wenn man also nach wirtschaftlichen Möglichkeiten für die Wärmepumpe sucht, muß man
damit rechnen, daß die Wärme einem sich dabei wesentlich abkühlenden Medium entzogen
und auch einem sich dabei wesentlich erwärmenden Medium abgegeben wird. In solchen
Fällen ist es zweckmäßig, einen Kreisprozess mit veränderlichem Temperaturablauf anzuwenden,
weil dieser zwischen den gleichen Temperaturgrenzen einen günstigeren Leistungsfaktor
zur Folge hat, als der Carnot-Prozess. Der Grund dafür liegt darin, daß bei dem Kreisprozess
mit veränderlichem Temperaturablauf, der sowohl der Wärmequelle als auch dem Wärmeverbraucher
angepaßt ist, außerdem ein geringerer äußerer Fnergieeinsatz benötigt wird als bei
dem anderen Kreisprozess mit isothermischem Wärmeentzug.
[0006] Zur Erläuterung der vorstehenden Aussagen dien; Fig. 1, die diese Kreisprozesse in
einem T-S (Temperatur-Entropie) Diagramm darstellt. Als Wärmequelle ist das mit dem
Bezugszeichen 2 bezeichnete Medium zu betrachten, das von einer Temperatur T
2' auf eine Temperatur T
2" abgekühlt werden kann. Die Aufgabe der Wärmepumpe besteht darin, das mit 1 bezeichnete
Medium von einer Temperatur T
1' auf eine Temperatur T
1" aufzuwärmen. Diese Zustandsänderungen der beiden Medien sind durch kontinuierliche
Linien dargestellt.
[0007] Wenn diese Aufgabe des Wärmepumpens durch einen einzigen Carnot-Prozess gelöst werden
soll, dann ergib sich der günstigste Leistungsfaktor (der nur im Falle von unendlich
großen Wärineaustauschflächen erreicht werden könnte) aus dem mit der gestrichelten
Linie bezeichneten Kreisprozess 4BCD. Auf der Strecke AB erfolgt eine isothermische
Wärmeaufnahme (Verdampfung), auf der Strecke BC eine isentropische Kompression, auf
der Strecke CD eine isothermische Wärmeabgabe (Kondensation), und auf der Strecke
DA eine isentropische Expansion.
[0008] Aus der Thermodynamik ist es bekannt, daß für den durch den Kreisprozess aus der
wärmequelle aufgenommenen Wärmestrom Q
2 die Fläche unter der Strecke AB kenzeichnend ist, für den an den Wärmeverbraucher
abgegebenen Wärmestrom Q
1 die Fläche unter der Strecke CD, und für die eingesetzte mechanische Arbeit P die
Differenz der beiden Flächen, d.h. die durch den Kreisprozess umschlossene Fläche
(P=Q
1-Q
2). Dabei kann der Leistungsfaktor der Wärmepumpe, also der Quotient aus der Nutzwärme
und der eingesetzten mechanischen Arbeit folgendermaßen ausgedrückt werden:

[0009] Der Leistungsfaktor kann erhöht werden, wenn die notwendige mechanische Arbeit, d.h.
die durch den Kreisprozess umschlossene Fläche reduziert werden kann. Im Falle eines
einzigen Carnot-Prozesses ist das aber nicht möglich, weil die aus dem Medium 2 gewinnbare
Wärme selbst im Falle einer unendlich großen Wärmeaustauschfläche von der tiefsten
Temperatur T
2" der Wärmequelle auf die höchste Temperatur T
1" des wärmeaufnehmenden Mediums 1 gefördert werden muß. Bei endlich großen Wärmeaustasuchflächen
ist die Temperatur der Verdampfung niedriger als T
2" und die Temperatur der Kondensation ist höher als T
1", so daß eine noch größere Temperaturstufe überbrückt werden muß, also eine noch
größere mechanische Arbeit erforderlich ist. Im Interesse der besseren Verständlichkeit
dieser Überlegungen werden jedoch vorläufig bei idealer (also isentropischer) Kompression
und Expansion unendlich große Wärmeaustauschflächen vorausgesetzt.
[0010] Der theoretisch optimale Wärmepumpen-Kreisprozess wäre eigentlich der durch die strickpunktierte
Linie dargestelle Kreisprozess, der sich vollkommen an die Kurve des Temperaturverlaufs
des wärmeabgebenden Mediums anschmiegt. In diesem Kreisprozess AECF geht auf der Strecke
AE eine Wärmeaufnahme mit veränderlicher Temperatur, auf der Strecke EC eine isentropische
Kompression, auf der Strecke CF eine Wärmeabgabe mit veränderlicher Temperatur und
auf der Strecke FA eine isentropische Expansion vor sich.
[0011] Auf der Strecke AE des Kreisprozesses kann das Arbeitsmedium nur dann eine Wärmemenge
aus dem Medium 2 aufnehmen, wenn seine Temperatur niedriger ist, als die des letzteren,
also die Kurvenstrecke AE unter der Kurve des Mediums 2 verläuft. Wenn aber die Wärmekapazität
der beiden Medien gleich und die Wärmeaustauschfläche unendlich groß ist, dann geht
die zur Wärmeübertragung notwendige Temperaturdiffere z auf einen un-
[0012] endlich niedriqen Wert zurück, d.h. die Kurvenstrecke AE schmiegt sich an die Kurve
des Mediums 2 an. In ähnlicher Weise ist es einzusehen, daß sich unter den erwähnten
theoretischen Bedingungen die Strecke CF des Kreisprozesses von oben an die Kurve
des Mediums 1 anschmiegt.
[0013] Nachdem beim Kreisprozess die wärmeabgebende Strecke des Arbeitsmediums nicht unter
die Kurve des Mediums 1 gelangen kann, weil diesem dann keine Wärme übertragen werden
könnte und auch die wärmeaufnehmende Strecke nicht über der Kurve des Mediums 2 liegen
kann, weil von diesem dann keine Wärme übernommen werden könnte, kann eingesehen werden,
daß für Wärmepumpen in diesem Fall der mit strichpunktierten Linie bezeichnete Kreisprozess
AECF den theoretisch optimalen Kreisprozess darstellt.
[0014] Es kann aufgrund der Fig. 1 auch leicht eingesehen werden, daß unter Voraussetzung
von gleichen Temperaturen im Kreisprozess AECF mit veränderlicher Temperatur die entzogene
Wärmemenge Q
2 größer ist, als im Kreisprozess ABCD, d.h. die unter der Kurvenstrecke AE liegende
Fläche größer ist, als die unter der Strecke AB liegende Fläche, während die von diesem
Kreisprozess umschlossene Fläche, d.h. die notwendige mechanische Arbeit P kleiner
ist. Es folgt daraus aufgrund der schon erwähnten Formel, daß der Kreisprozess AECF
einen größeren Leistungsfaktor ε hat, als der Kreisprozess ABCD. Dies ist ja eine
logische Folge, nachdem es schon nachgewiesen wurde, daß der Kreisprozess AECF ir
diesem Falle der theoretisch optimale Kreispro ess ist.
[0015] In deraktuellen technischen Praxis wird in den zur Wärmeübertragung dienenden Einheiten
(Verdampfer, Kondensator) der herkömmlichen Wärmepumpen (mit Verdichter versehene
oder Absorptionswärmepumpen) immer ein Arbeitsmedium aus einer einzigen Komponente
eingesetzt, wodurch die Verdampfung und die Kondensation immer auf konstanter Temperatur
ablaufen, also die tatsächlichen Kreisprozesse im bestimmten Maße dem in Fig. 1 mit
gestrichelter linien bezeichneten Kreisprozesses entsprechen.
[0016] Selbstverständlich kann der Leistungsfaktor auch bei solcher Wärmepumpen, deren Arbeitsmedium
nur eine Komponente enthält, verbesssert werden; dazu sind aber mehrer Stufen erforderlich.
In Fig. 2 wird der theoretische Arbeitsgang einer Drei-Stufen-Wärmepumpe auf einem
T-S-Diagramm dargestellt. Die Abkühlung des Mediums 2 und die Erwärmung des Mediums
1 sind hier durch kontinuierliche Linien bezeichnet. Aus dieser Figur ist es gut ersichtlich,
daß die Arbeitsfläche der durch gestrichelte l inien dargestellten drei Stufen (die
gemeinsame Fläche der Kreisprozesse AX'Y'Z', W"X"Y"Z" und W"'X"'CZ"') kleiner ist,
als die des einstufigen Kreisprozesses ABCD und wesentlich besser als der letztere
an den theoretisch optimalen Kreisprozess AECF herankommt.
[0017] Im Prinzip kann ein unendlich vielstufiger Carnot-Prozess an den Kreisprozess AECF
vollkommen herankommen, aber es können auch schon einige Stufen zu einem sehr guten
Ergebnis führen. Dies ist also ein geeiynetes Mittel zur Verbesserung des Le stungsfaktors.
Ein Nachteil dieser Lösung mit mehreren Stufen besteht jedoch darin, daß sie die Schaltung
der Maschine sehr kompliziert macht und auch die Anzahl der benötigten Elemente wesentlich
erhöht, wodurch einerseits die Einrichtung aufwendiger wird und andererseits auch
die Anzahl der Fehlermöglichkeiten zunimmt, also die Betriebssicherheit vermindert
wird.
[0018] Aus diesem Grunde haben viele Forscher andere Wege eingeschlagen. Man hat versucht,
solche Wärmepumpen auszuarbeiten, bei denen in den Wärmeaustauschern ein veränderlicher
Ten.ptraturablauf verwirklicht wird. Dies wird dadurch erreicht, daß als Arbeitsmedium
des Wärmepumpen-Kreisprozesses ineinander gut lösbare Medien mit untersc eidlichen
Siedepunkten (zB: die Mischung von Ammoniak und Wasser) verwendet wird.
[0019] Ein Kreisprozess mit einer Wärmeübertragung veränderlichen Temperaturablaufs wird
von den bisher bekannten technischen Lösungen durch die in der EP-B 0 021 205 beschriebene
sogenannte hybride Wärmepumpe am günstigsten verwirklicht. Die in Fig. 3 dargestellte
Schaltung der hybriden Wärmepumpe erinnert an die herkömmlichen Wärmepumpen mit Verdichter,
unterscheidet sich von diesen derin, daß im ganzen Kreisprozess ein Arbeitsmedium
aus zwei ineinander gut lösbaren Komponenten umgewälzt wird. In dem Niederdruck-Verdampfer
6 (Entgaser) dieser Wärmepumpe verdampft das Medienpaar nicht vollste dig. sondern
es tritt eine Mischung aus einem Dampf, der reich am Medium mit niedrigem Siedepunkt
ist, und aus einer Flüssigkeit, die arm am Medium mit dem niedrigen Siedepunkt ist,
aus, und diese Mischung tritt in den Verdichter 3 ein. Der Verdichter überführt dieses
zweiphasige Arbeitsmedium aus zwei Komponenten in Form einer sogenannten "nassen Kompression"
auf ein höheres Druckniveau. Von hier gelangen der Dampf und die flüssige Phase in
einen Kondensator (Absorber) 4, wo der am Medium mit niedrigerem Siedepunkt reiche
Dampf kondensiert und sich allmählich in der mitströmenden Flüssigkeitsphase auflöst.
Das Arbeitsmedium gelangt über ein Expansionsventil 5 in den Verdampfer (Entgaser)
6 zurück. Mit Hilfe eines inneren Wärmeaustauschers 7 kann der Leistungsfaktor des
Kreisprozesses verbessert werden.
[0020] Der tatsächliche Ablauf des obigen Kreisprozesses wird in einem T-S-Diagramm durch
die Fig. 4 dargestellt. Die die einzelnen Zustände bezeichnenden Buchstaben stimmen
mit den Bezeichnungen der Fig. 3 überein. Einfachheitshalber wird auf die Darstellung
des inneren Wärmeaustauschers verzichtet, und es wird eine isentropische Expansion
bzw. Kompression angenommen.
[0021] Fig. 5 zeigt den theoretischen Kreisprozess einer solchen hybriden Wärmepumpe in
einem T-S- Diagramm im Falle eines Arbeitsmediums gegebener Konzöntration, wobei dieser
Kreisprozess aus einer Wärmeaufnahme mit veränoerlicher Temperatur (Verdampfung und
Entgasung bei konstantem Druck p
2 auf der Strecke AB), einer isentropischen Kompression (die Strecke BC), einer Wärmeabgabe
mit veränderlicher Temperatur (Kondensation und Inlösunggehen bei konstantem Druck
P
1 auf der Strecke CD) und einer isentropischen Expansion (die Strecke DA) besteht.
[0022] Die Temperaturänderung des Arbeitsmediums beträgt im Verdampfer (Strecke AB)
Δ T
2 und im Kondensator (Strecke CD)ΔT
1. Diese beiden Werte sind beinahe gleich. Das ergibt sich aus derjenigen Eigenheit
der aus zwei Komponenten (aus einer 1 ösung) bestehenden Arbeitsmedien, daß in dem
T-S-Diagramm eines Mediums gegebener Konzentration die Kurven für konstante Drücke
annähernd parallel sind.
[0023] Es ist bekannt, daß sich die Kurven des Wärmepumpen-Kreisprozesses sogar im Falle
von unendlich großen Wärmeaustauschfächen nur dann an die Temperaturablaufkurve des
wärmeabgebenden Mediums anschmiegen kann, wenn das Arbeitsmedium und das wärmeabgebende
Medium gleiche Wärmekapazität aufweisen, also wenn im Falle der Übertragung einer
gegebenen Wärmemengen ihre Temperatur im gleichen Maße verändert wird. Wenn also die
Tempc- aturänderung des wärmeabgebenden und des wärmeaufnehmenden Mediums voneinander
wesentlich abweicht, dann kann der Temperaturablauf des Arbeitsmediums in den Wärmeaustauschern
der hybriden Wärmepumpe nicht gleichzeitig an beide Medien angepaßt werden. Es folgt
daraus, daß die hybride Wärmepumpe erst dann mit einem wirklich günstigen L'eistungsfaktor
arbeiten kann, wenn die Temperaturänderung des wärmeabgebenden und wärmaufnehmenden
Mediums nahezu gleich ist, und die Temperaturändrung des Arbeitsmediums im Verdampfer
und im Kondensator diesen Temperaturänderungen angepaßt ist.
[0024] Wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist, dann ist der Gewinn im Vergleich zur herkömmlichen
Wärmepumpe niedriger. Diese Erscheinung ist anhand eines T-S-Diagramms in Fig. 6 dergestellt.
Diese Figur zeigt einen solchen Fall, wo die Temperaturänderung < T
2 des wärmeabgebenden Mediums 2 viel gringer ist als die Temperaturänderung 4 T
1 des wärmeaufnehmenden Mediums.
[0025] Ein ähnlicher Fall kann vorkommen, wenn die Wärmequelle eine Abfallwärme mit niedrigem
Temperaturniveau ist, z.B. ein Abwasser von 30° C oder ein erwärmtes Kühlwasser, das
ohne Einfriergefahr höchstens bis +5° C abgekühlt werden kann, d.h. die Temperaturänderung
beträgt 25° C. Die Aufgabe besteht in der Erzeugung von Gebrauchswarmwasser mit einer
Temperatur von 85°C aus dem zur Verfügung stehenden Leitungswasser von 15°C für die
Zwecke der Lebensmittelindustrie. Hier beträgt die Termperaturänderung 70°C, also
das Mehrfache des anderen Wertes.
[0026] In 1 lg. 6 ist der Temperaturablauf der Medien 1 bzw. ? durch kontinuierliche linien
bezeichnet. Die Figur zeigt ideale Kreisprozesse (isentropische Kompression und Expansion.
unendlich große Wätmeaustauschflächen). Es sind der Carnot-Pre ess mit gestrichelter
Linie und der theoreretische Kreisprozess der hybriden Wärmepumpe mit strichpunktierter
Linie dargestellt, wobei der letztere an das Medium 2 angepaßt ist. Aus der Figur
ist es gut ersichtlich, daß die durch den Kreisprozess veränderlicher Temperatur umschlossene
Fläche und somit die notwendige mechanische Arbeit wesentlich geringer sind als beim
Carnot-Prozess, aber wesentlich größer als die theoretisch notwendige minimale Arbeit.
Dieser Mangel kann auch nicht dadurch behoben werden, daß der Kreisprozess an das
Medium 1 angepaßt wird oder daß eine dazwischenliegende Variante verwendet wird.
[0027] Es ist auch problematisch, wenn die Temperaturänderung des wärmeabgebenden und wärmeaufnehmenden
Mediums zwar ungefähr gleich ist, aber wesentlich größer als daß das Arbeitsmedium
aus zwei Komponenten ihr rationell foigen kann. Ein solcher Fall ist in Fig. 7 dargestellt,
wo das wärmeabgebende und das wärmeaufnehmende Medium durch kontinuierliche Linien
angegeben sind, während der Kreisprozess durch eine strichpunktierte Linie bezeichnet
ist. Es ist daraus ersichtlich, daß der Leistungsbedarf des Kreisprozesses wesentlich
größer ist als theoretisch notwendig, obwohl dieser Leistungsbedarf immer noch günstiger
ist als bei dem in der Figur nicht dargestellten Carnot-Prozess. Die Temperaturänderung
kann durch die Änderung der Konzentration, des Druckes und des Dampfgehaltes am Ende
des Verdampfers beeinflußt werden, aber die Auswirkung dieser Faktoren bietet nur
eine beschränkte Lösung.
[0028] Die Aufgabe der Erfindung ist eine solche Weiterentwicklung der hybriden Wärmepumpe,
die es ermöglicht, den Temperaturablauf des Verdampfers und des Kondensators zwischen
sehr breiten Grenzen unabhängig voneinander an den Temperaturablauf des wärmeabgebenden
bzw. des wärmeaufnehmenden Mediums anzupassen, damit der theoretisch größtmögliche
Leistungsfaktor in maximalem Maße angenähert werden kann.
[0029] Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Verdichter als
eine mehr als einen Saug- und/oder Drckstutzen aufweisende Finheit ausgebildet ist.
deren Stutzen mehrere Druck tufen zum gleichzeitigen Ansaugen bei mehr als einem Saugdruckniveau
und/oder zur 1 ieferung auf mehr als ein Druckniveau bilden, wobei die Druckstufenanzahl
der Verdampfer qleich der Anzahl der Sauqdruckniveaus ist und die Druckstufenanzahl
der Kondensatoren gleich der Anzahl der druckseitigen Druckniveaus ist.
[0030] Erfindungsgemäß ist es vorteilhaft, wenn druckreduzierenden Elemente, z.B. Expansionsventile,
so eingebaut sind, daß bei entsprechend der flöhe der Druckniveaus aufeinanderfolgend
angeordneten Druckstufen des Verdichters zwischen je zwei einander benachbarten Druckstufen
ein druckreduzierendes Element angeordnet ist.
[0031] Es wird ebenfalls vorgezogen, zur Verminderung des Druckes des Arbeitsmediums eine
Expansionsturbine einzubauen, deren mehrere Eintritts-und/oder Austrittsstutzen so
ausgebildet sind, daß die Turbine in Übereinstimmung mit der Anzahl der Druckstufen
des Verdichters zur Aufnahme bzw. Abgabe des Arbeitsmediums gleichzeitig bei mehreren
Druckniveaus fähig ist.
[0032] Ferner ist es vorteilhaft, wenn zum Wärmeaustausch zwischen den aus den Kondensatoren
und den Verdampfern austretenden Medien innere Wärmeaustauscher eingebaut sind.
[0033] Die Erfindung wird ausführlicher anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, die
aus den Fig. 8 bis 13 der Zeichnung ersichtlich sind. Es zeigen:
Fig. 8 ein theoretisches Schaltschema einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe,
Fig. 9 den Kreisprozess der Wärmepumpe gemäß Fig. 8 in einem T-S-Diagramm
Fig. 10 das Schaltschema einer Variante der erfindungsgemäßen Wärmepumpe
Fig. 11 ein Schaltschema der Kompressoren einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe,
Fig. 11b das Schaltschema der Expansionsventile der erfindungsgemäßen Wärmepumpe für
einen Sonderfall,
Fig. 11c das Schaltschema einer Variante der erfindungsgemäßen Wärmepumpe,
Fig. 11d das Schaltschema einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmepumpe,
Fig. 12 das Schaltschema einer weiteren Ausführungsform mit einem Kondensator mit
mehreren Druckstufen,
Fig. 13 das Schaltschema einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmepumpe,
bei der die Stufenanzahl der Kondensatoren und der Verdampfer gleich ist.
[0034] Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet die Wärmepumpe mit einem aus zwei Komponenten
bestehenden Arbeitsmedium, das bei veränderlicher Temperatur verdampft und kondensiert,
wobei wenigstens der Kondensator und/oder der Verdampfer bei mehr als einem Druckniveau
p
3, p
4, p
5 arbeitet, wodurch die Temperaturänderung des Arbeitsmediums je nach Bedarf beeinflußt
werden kann. Ein Beispiel dafür ist in Fig. 8 dargestellt. Das Arbeitsmedium tritt
bei drei verschiedenen Druckniveaus aus dem Verdichter 3 aus und jedem Austrittsdruckniveau
ist ein gesonderter Kondensator zugeordnet, so daß das wärmeaufnehmende Medium 1 in
den drei Kondensatoren 4a, 4b, 4c bei drei unterschiedlichen Drücken erwärmt wird.
Danach tritt das Arbeitsmedium aus den Kondensatoren bei drei entsprechend unterschiedlichen
Druckniveaus einer Expansionsturbine 8 in diese ein und wird aus dieser bei zwei unterschiedlichen
Druckniveaus den beiden Verdampfern 6a und 6b zugeleitet, die von dem wärmeabgebenden
Medium 2 geheizt werden und aus denen das Arbeitsmedium bei zwei entsprechend unterschiedlichen
Eintrittsdruckniveaus wieder in den Verdichter 3 geleitet wird.
[0035] Fig. 9 zeigt diesen Kreisprozess in einem T-S-Diagramm im Falle einer isentroplschen
Kompression und Expansion. Die Temperaturänderungen der Medien und 2 sind - für unendlich
große Wzrmeaustauschflächen - an der rechten Seite der Figur gesondert dargestellt.
Der Kondensator und der Verdampfer weisen in Fig. 8 und 9 nur beispielsweise drei
bzw. zwei Druckstufen auf, da die 4nzahl der Druckstufen je nach Bedarf bestimmt werden
kann.
[0036] Die tatsächliche Schaltung der erfindungsgemäßen Wärmepumpe ist komplizierter, sie
enthält nämlich vorzugsweise auch innere Wärmeaustauscher 7 z.B. gemäß Fig. 10. Die
Expansionsturbine 8 ist nur bei sehr großen Anlagen wirtschaftiich, so daß anstelle
dieser Turbinen im allgemeinen druckreduzierende Elemente (z.B. Drosselventile) verwendet
werden. Eine solche Ausführungsform zeigt Fig. 10. Hi'er weist die Kondensatoreinheit,
ähnlich wie im verigen Beispiel, drei Druckstufen auf, während die Verdampfereinheit
zwei Druckstufen aufweist. Gegebenenfalls kann auch eine andere Anzahl von Druckstufen
gewählt werden.
[0037] Das Arbeitsmedium tritt aus dem Verdichter 3 mit drei unterschiedlichen Druckniveaus
p
3, p
4, p
5 in die drei Kondensatoren 4a, 4b, 4c über, wo das wärmeaufnehmende Medium 1 von dem
Arbeitsmedium erwärmt wird. Den Kondensatoren sind innere Wärmeaustauscher 7a, 7b,
7c nachgeschaltet, wo sich das Arbeitsmedium mit hohem Druck weiter abkühlt und Wärme
an das Arbeitsmedium mit niedrigem Druck berträgt. Die Ausgänge der inneren Wärmetauscher
7a, 7b, 7c sind unter Zwischer chaltung jeweils eines von zwei Expans insventilen
5c, 5d zusammengelührt, denen zwei weitere Expansionsventile 5a, 5b nachgeschaltet
sind. Der Druck des Arbeitsmediums wird in den vier Expansionsventilen 5a, 5b, 5c,
5d stufenweise auf das erforderliche Niveaus herabgesetzt, wonach das Arbeitsmedium
mit zwei unterschiedlichen Druckniveaus in je einen von zwei Verdampfern 6a, 6b eintritt.
[0038] Die Verdampfer 6a, 6b werden vom wärmeabgebenden Medium 2 geheizt. Das hier erwärmte
und teilweise verdampfte Arbeitsmedium erwärmt sich in den inneren Wärmeaustauschern
7a, 7b. 7c weiter, von denen zwei in Reihe dem einen Verdampfer 6a und eines dem anderen
Verdampfer 6b nachgeschaltet sind, dann tritt es bei entsprechenden Druckniveaus p
1 und
p2 wieder in den Verdichter 3 ein.
[0039] Wenn die Konstruktion des Verdichters 3 nicht geeignet ist, Saug- bzw. Druckstutzen
bei unterschiedlichen Druckniveaus zu haben, können gemäß Fig. 11a auch mehrere Verdichter
vorgesehen werden. Hier sind in Reihe fünf Verdichter 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, zweckmäßigerweise
auf einer gemeinsamen Achse eingebaut, wobei die gemeinsame Achse keine unerläßliche
Bedingung ist. Das Arbeitsmedium tritt mit zwei unterschiedlichen Drücken in die beiden
ersten Verdichter 3a bzw. 3b ein und mit drei unterschiedlichen Drücken aus den drei
letzen Verdichtern 3c, 3d bzw. 3e aus. Es kann ausnahmsweise vorkommen, daß der Saugdruck
p
2 etwas größer ist als der druckseitige Druck p
3. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 11a bedeutet das nur so viel Änderung, daß das
Arbeitsmedium aus dem Verdichter 3b mit einem Druck p
3 austritt, während das Medium mit dem Druck p
2 in den Verdichter 3c eintritt. Wenn dieser Ausnahmefall vorkommt, dann soll die Gruppe
der Expansiunsventile gemäß Fig. 11a entsprechend umgestaltet werden.
[0040] Wenn die Konstruktion der in Fig. 8 dargestellten Expansionsturbine nicht geeignet
ist, Ein- und Austrittstutzen für verschiedene Drücke aufzuweisen, dann kann die gleiche
Lösung wie beim Verdichter gemäß Fig. 11a mit mehreren hintereinandergeschalteten
Expansionsturbinen verwendet werden.
[0041] Die Schaltung der inneren Wärmeaustauscher 7a, 7b, 7c in Fig. 10 ist so, daß das
aus dem Verdampfer mit einem Druck p
2 austretende Arbeitsmedium von einer Flüssigkeit mit einem Druck p
5, und das Medium mit einem Druck p
1 von den Flüssigkeiten mit den Drücken p
3 und p
4 erwärmt wird. Die in der Figur dargestellte Schaltung ist zwar bei bestimmten Werten
der Medienströme und der Drücke optimal. Es können jedoch auch solche Fälle vorkommen,
daß eine von der Figur abweichende Schaltung mit einem größeren thermodynamischen
Vorteil verbunden ist, z.B. wenn sich die Massenströme und die Druckniveaus unter
den einzelnen Kondensatoren und Verdampfern anders verteilen, wodurch auch die Temperaturabläufe
anders sind.
[0042] Als Beispiel wird in Fig. 11a ein solcher Fall vorge eilt, be. dem das aus dem Verdampfer
6a austretende Medium mit dem Druck p
1 in dem inneren Wärmeaustauscher 7a von einer Flüssigkeit mit dem Druck p
3, und das Medium mit dem Druck p
2 in den inneren Wärmeaustauschern 7b und 7c von Medien mit den Drücken p
4 und p
5 ermärmt wird. E s kann aber auch vorkommen, daß es sich lohnt, die vom Kondensat
mit dem Druck p
4 abgegebene Wärme unter den Medien mit den Drücken p
1 und p
2 aufzuteilen, wie es aus Fig. 11 d ersichtlich ist. Es ist zu bemerken, daß in dieser
Figur das Medium mit dem Druck p
4 auf die die von ihm stammende Wärme abgebenden inneren Wärmeaustauscher 7b und 7c
verzweigt ist, diese sind also parallel geschaltet, aber ein solcher Fall ist auch
möglich, für den es günstiger ist, die inneren Wärmeaustauscher 7b und 7c entlang
des Strömungsweges des Mediums mit dem Druck p
3 in Reihe zu schalten.
[0043] Ein spezieller Fall der Verwirklichung des Erfindungsgedanken ist in Fig. 12 dargestellt,
wobei nur der Kondensator bei drei Druckstufen 4a, 4b, 4c arbeitet und nur ein erdampfer
6 vorgeschen ist, d.h. der Verdichter saugt nur auf einem einzigen Druckniveau an
und liefert Arbeitsmedien mit drei unterschiedlichen Druckniveaus. Dies ist dann notwendig,
wenn die Temperaturänderung des wärmeaufnehmenden Mediums wesentlich größer ist als
die des wärmeabgebenden Mediums.
[0044] Ein umgekehrter Fall ist aus Fig. 12 ersichtlich, wonach nur eine Kondensatorstufe
4 und drei Verdampferstufen 6a, 6b, 6c vorgesehen sind. In Fig. 10 ist die allgemeine
Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe dargestellt, wonach die Stufenanzahl der Kondensatoren
und Verdampfer voneinander abweicht. In einem speziellen Fall kann diese Stufenanzahl
auch gleich sein, z.B. zwei saugseitige Druckstufen am Verdichter 3 Calso zwei Verdampferstufen)
und zwei druck eitigen Druckstufen (also zwei Kondensatorstufen).
[0045] Wenn in diesem speziellen Fall die Medienströme auf die S
'ufen so aufgeteilt sind, daß der Medienstrom des Kondensators mit dem höheren Druck
gleich dem Medienstrom höheren Druckes aus dem Verdampfer ist, dann kann die erfindungsgemäße
Lösung auf die Reihenschaltung zweier, voneinander unabhängiger Kreisprozesse der
hybriden Wärmepumpe zurückgeführt werden.
[0046] Der gleiche Gedankengang gilt auch dann, wenn die Anzahl der Druckstufen des Verdampfers
und des Kondensators gleich ist, aber mehr als zwei (z.B. drei) beträgt.
[0047] Es ist zu bemerken, daß in der Beschreibung der Erfindung nur über die Wärmepumpe
gesprochen wurde. Es ist jedoch bekannt, daß sich eine Kältemaschine von einer Wärmepumpe
nur darin unterscheidet. daß dort nicht die abgegebene, sondern die entzogene Wärme
als Nutzwärme betrachtet wird. Also alles, was im Zusammenhang mit der Wärmepumpe
erläutert wurde, gilt sinngemäß auch für die Kältemaschine.