[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für eine Druckübertragung zwischen zwei Arbeitskreisen,
insbesondere zwischen zwei Kältemittelkreisen einer Klimatisiervorrichtung nach dem
Oberbegriff des Patentanspruches 1.
[0002] Weiter betrifft die Erfindung eine Klimatisiervorrichtung mit zwei Arbeitskreisläufen,
insbesondere eine Klimatisiereinrichtung zum Kühlen und/oder Wärmen mit zwei Kältemittelkreisen,
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5.
[0003] Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Klimatisiervorrichtung
mit zwei Arbeitskreisläufen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.
[0004] Aus dem Stand der Technik sind thermisch angetriebene Wärmepumpen, die mittels eines
Ad- und Absorbtionsprozesses arbeiten, bekannt. Insbesondere sind Verfahren bekannt,
die Wärmeenergie nutzen, um eine Kühlleistung zu generieren. Dies erfolgt über eine
Kopplung eines sogenannten Organic Rankine Cycle Verfahrens (ORC Verfahren) mit einem
Kältemittelprozess. In dem ORC-Kreislauf und dem Kreislauf des Kältemittelprozesses
befindet sich üblicherweise ein Kältemittel, beispielsweise R410A oder dergleichen.
In dem ORC-Verfahren wird das flüssige Kältemittel mittels einer Flüssigkeitspumpe
auf einen hohen Druck gebracht und unter Wärmezufuhr in einem Generator verdampft.
Das verdampfte, unter hohem Druck stehende Kältemittel wird in einer Turbine entspannt.
Die hierbei gewonnene Energie wird über eine Welle an den gekoppelten Kreislauf übertragen.
Der in dem gekoppelten Kreislauf befindliche Verdichter verdichtet das Kältemittel,
wobei der Verdichter durch die in dem anderen Kreislauf gewonnene Energie angetrieben
wird. Die Temperatur und der Druck steigen durch das Einwirken des Verdichters an.
In einem Kondensator wird anschließend Wärme abgeführt. Nach einer nachfolgenden Expansion
des Kältemittels sinkt die Temperatur entsprechend, sodass damit zum Beispiel ein
Gebäude gekühlt werden kann. Die Kopplung der beiden Arbeitskreise erfolgt im Stand
der Technik somit über eine gemeinsame Welle von Turbine und Verdichter, wobei die
Turbine in einem Kreislauf angetrieben wird und über die Welle ein Antrieb des Verdichters
des anderen Kreislaufs erfolgt.
[0005] Nachteilig an derartigen Verfahren und Vorrichtungen ist, dass diese eine komplexe
Technik und sehr viel Platz erfordern.
[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren, eine Vorrichtung und eine
Klimatisiervorrichtung zu schaffen, welche eine einfache und platzsparende Kopplung
zweier Arbeitskreise schaffen. Insbesondere ist es eine Aufgabe, ein Verfahren, eine
Vorrichtung und eine Klimatisiervorrichtung zu schaffen, welche leicht nachrüstbar
in vorhandene Lösungen sind. Zudem soll eine effektivere Lösung geschaffen werden.
[0007] Erfindungsgemäß wird dies durch die Gegenstände mit den Merkmalen des Patentanspruches
1, des Patentanspruchs 5 und des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
[0008] Die erfindungsgemäße Vorrichtung für eine Druckübertragung zwischen zwei Arbeitskreisen,
insbesondere zwischen zwei Kältemittelkreisen einer Klimatisiervorrichtung, ist dadurch
gekennzeichnet, dass diese mit einem ersten doppeltwirkenden Zylinder mit Kolben,
welcher in einem ersten Arbeitskreis angeordnet ist, und einem zweiten doppeltwirkenden
Zylinder mit Kolben, welcher in einem zweiten Arbeitskreis angeordnet ist, ausgebildet
ist, wobei der erste Kolben mit dem zweiten Kolben über ein Gestänge verbunden ist.
[0009] In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der erste
Zylinder als Druckübertrager und der zweite Zylinder als Druckerhöher wirken.
[0010] Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass
ein Zulauf zu den Zylindern jeweils wahlweise mit einer ersten oder einer zweiten
durch den jeweiligen Kolben getrennten Zylinderseite fluidisch verbindbar ist, wobei
ein Ablauf von dem jeweiligen Zylinder entsprechend mit der zweiten bzw. der ersten
Zylinderseite verbunden ist.
[0011] In noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen,
dass eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, mittels der ein Umschalten von Fließwegen
des Zulaufs zu und/oder von dem ersten Zylinder parallel zu einem Umschalten der Fließwege
des Zulaufs zu und/oder von dem zweiten Zylinder erfolgt.
Die erfindungsgemäße Klimatisiervorrichtung mit zwei Arbeitskreisläufen, insbesondere
eine Klimatisiereinrichtung zum Kühlen und/oder Wärmen mit zwei Kältemittelkreisen,
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitskreisläufe über eine erfindungsgemäße
Vorrichtung gekoppelt sind.
[0012] Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Arbeitskreise
als integrierte Arbeitskreise, insbesondere einer Wärmepumpe oder Kühleinrichtung,
ausgebildet sind.
[0013] Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Arbeitskreise
als getrennte Arbeitskreise, insbesondere einer Wärmepumpe oder Kühleinrichtung, ausgebildet
sind.
[0014] Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Klimatisiervorrichtung mit zwei
Arbeitskreisläufen ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Druck eines ersten Arbeitskreislaufs
auf einen Druck eines zweiten Arbeitskreislaufs übertragen wird, wobei die Übertragung
insbesondere mittels einer erfindungsgemäßen (Druck-)Vorrichtung erfolgt.
[0015] Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass Fließwege zu und/oder
von den Zylindern umgeschaltet werden, sodass ein Druck kontinuierlich übertragen
wird.
[0016] Noch ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass
Fließwege zu und/oder von den Zylindern bei Erreichen von maximalen Verfahrwegen der
Kolben umgeschaltet werden.
[0017] Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, der erfindungsgemäßen Klimatisiervorrichtung
und dem erfindungsgemäßen Verfahren werden insbesondere die folgenden Vorteile realisiert:
[0018] Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren sind in verschiedenen
Arbeitsprozessen einsetzbar. So ist die Erfindung beispielsweise in der Gebäudeklimatisierung
oder Fahrzeugklimatisierung einsetzbar. Die Erfindung ist beispielsweise auch als
Nachrüstmodul für bestehende Heizungsanlagen oder als Zusatzmodul für neue Heizgeräte
einsetzbar. Die Erfindung ist zudem auch in einen Kessel integrierbar.
[0019] Bei einer Ausführung als Zusatzmodul in einem Öl-, Gas- oder Pelletkessel, wodurch
der Kessel zu einer sogenannten Gaswärmepumpe umfunkionierbar ist, wäre die Funktionsweise
etwa Folgende:
[0020] In einen Kältemittelprozess wird Wärme von dem Kessel eingespeist, sodass das in
einem Kältekreis vorhandene Kältemittel verdampft. Die dafür erforderliche Wärme wird
nicht aus einem Brennraum des Kessels, sondern aus einem Kesselvorlauf entnommen.
Der Kältemitteldampf strömt in die als Druckkonverter ausgebildete erfindungsgemäße
Vorrichtung und der Druckkonverter treibt, angetrieben vom oberen Kältemittelprozess,
den unteren Kältemittelprozess direkt an. Das heißt, dass das Kältemittel im unteren
Prozess verdichtet wird. Im Verdampfer wird Wärme aus der Außenluft aufgenommen. Im
Kondensator wird die vom Kessel und aus der Außenluft in den Kältemittelprozess eingebrachte
Wärme an den Heizungsrücklauf abgegeben. Im Rücklauf des Heizkreises ist der Energieinhalt
des Wassers etwa 0 kW. In Strömungsrichtung hinter dem Kondensator beträgt der Energieinhalt
des Wassers beispielsweise 12 kW, welche sich aus 2 kW Umweltwärme und 10 kW Kesselwärme
zusammensetzen. Nach Befeuerung durch den Kessel beträgt der Energieinhalt etwa 22
kW, denn hier hat der Kessel etwa 10 kW zugefeuert. Hinter dem Generator werden 10
kW entnommen, um den Kältemittelprozess anzutreiben. Das heißt also, dass sich die
12 kW die in den Heizkreis gehen aus 10 kW Kesselwärme und 2 kW regenerativer Umweltwärme
zusammensetzen, was einem Wirkungsgrad von etwa 120 % entspricht.
[0021] Bei einer Ausführung in einem Klimatisierungsprozess ist der Ablauf wie folgt. In
einen Kältemittelprozess wird Wärme, beispielsweise Solarwärme, Motorabwärme und dergleichen,
eingespeist, sodass ein Kältemittel verdampft. Dieser Kältemitteldampf strömt in die
als Druckkonverter ausgebildete Vorrichtung und der Druckkonverter treibt angetrieben
vom oberen Kältemittelprozess den unteren Kältemittelprozess direkt an. Das heißt,
dass das Kältemittel im unteren Prozess verdichtet wird. In dem oberen Prozess werden
dabei keine Turbinen oder dergleichen verwendet, um Arbeit zu gewinnen und diese Arbeit
mittels z. B. einer Welle auf einen herkömmlichen Verdichter zu übertragen, der das
Kältemittel im unteren Prozess verdichtet. Mit dem Druckkonverter wird stattdessen
die Arbeit aus dem oberen Prozess direkt auf den unteren Prozess übertragen.
[0022] Mit der Erfindung sind somit die folgenden Vorteile realisierbar.
Die Erfindung ermöglicht die Nutzung von Abwärme zur Kühlung. Weiterhin wird keine
teure Turbine zur Arbeitsübertragung oder dergleichen benötigt. Dadurch können deutlich
kleinere Abmessungen bei einem Ad- Absorbtionsprozess realisiert werden, ohne dass
es zu Leistungseinbußen kommt. Aufgrund der direkten Energieübertragung sind höhere
Wirkungsgrade erreichbar.
[0023] Die Zeichnungen stellen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung dar und zeigen
in den Figuren:
- Fig. 1
- schematisch in einem Blockdiagramm eine Ausführungsform der Erfindung als Klimatisiervorrichtung
mit teilweise integrierten Arbeitskreisläufen,
- Fig. 2
- schematisch in einem Blockdiagramm eine Ausführungsform der Erfindung als Klimatisiervorrichtung
mit zwei getrennten Arbeitskreisläufen,
- Fig. 3
- schematisch ein Diagramm, bei dem der Druck über der Enthalpie während des Betriebs
der Erfindung dargestellt ist,
- Fig. 4
- schematisch in vier Unterfiguren die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in vier unterschiedlichen Zuständen,
- Fig. 5
- schematisch in zwei Unterfiguren zwei Ausführungsformen der Erfindung, einmal ohne
(5a) und einmal mit (5b) Wärmespeicher und
- Fig. 6
- schematisch in einem Blockschaltbild eine weitere Ausführungsform der Erfindung in
einem Heizkreis mit Kessel.
[0024] Fig. 1 zeigt schematisch in einem Blockdiagramm eine Ausführungsform der Erfindung
als Klimatisiervorrichtung 100 mit teilweise integrierten Arbeitskreisläufen 10, 20,
schematisch durch die halbkreisförmigen Pfeile dargestellt. Die Vorrichtung 100 umfasst
einen Verdampfer 22, mit dem beispielsweise Wärme aus zum Beispiel einem Gebäude,
einem Fahrzeuginnenraum oder dergleichen aufgenommen wird, wie durch den auf den Verdampfer
22 weisenden Pfeil dargestellt. Weiter umfasst die Vorrichtung 100 einen Generator
12, mit dem beispielsweise Wärme von zum Beispiel einer Solaranlage oder eines Automotors
eingespeist wird, wie durch den auf den Generator 12 weisenden Pfeil dargestellt.
Zudem umfasst die Vorrichtung 100 je Arbeitskreislauf 10, 20 einen Kondensator 14,
22, wobei die beiden Kondensatoren 14 und 22 in dem Ausführungsbeispiel nach Fig.
1 integriert als ein gemeinsamer Kondensator 13/23 ausgebildet sind. Mit dem Kondensator
13/23 wird Wärme aus den beiden als Kältemittelkreislauf ausgebildeten Arbeitskreisläufen
10, 20 an beispielsweise die Umgebung abgegeben, wir durch den von dem Kondensator
13/23 weg weisenden Pfeil dargestellt. Daneben umfasst die Vorrichtung 100 eine Flüssigkeitspumpe
11, mit welcher ein flüssiges Kältemittel auf einen höheren Druck gebracht wird. In
der Vorrichtung 100 ist weiter ein Expansionsventil 21 vorgesehen, mit dem Druck abgebaut
wird. Über eine als Druckkonverter ausgebildete Vorrichtung 30, die ebenfalls von
der Vorrichtung 100 umfasst ist, wird Arbeit aus dem oberen Arbeitskreislauf 10 auf
den unteren Arbeitskreislauf 20 übertragen. Zudem befindet sich zwischen dem Kondensator
13/23 und der Vorrichtung 30 ein Sammel- und/oder Expansionsbehälter 14. Die einzelnen
Komponenten sind über entsprechende Leitungen miteinander verbunden, insbesondere
fluidisch verbunden. In den beiden Kreisläufen 20, 30 (oberer und unterer Arbeitskreislauf)
befindet sich in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel dasselbe Kältemittel, wie zum
Beispiel das Kältemittel R410a, R152a, R134 oder dergleichen. In dem Schaltbild nach
Fig. 1 sind verschiedene Betriebspunkte 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, gekennzeichnet, an denen
beispielhaft Zustände beschrieben werden. Die Flüssigkeitspumpe 11 erhöht von dem
Betriebspunkt 3 zu dem Betriebspunkt 6 den Druck des durch die Vorrichtung 100 strömenden,
flüssigen Kältemittels. In dem in Strömungsrichtung folgenden Generator 12 wird das
über die Flüssigkeitspumpe 11 zugeführte flüssige Kältemittel vom Betriebspunkt 6
zum Betriebspunkt 7 unter Wärmezufuhr (dargestellt durch den auf den Generator 12
weisenden Pfeil) verdampft. Das im Betriebspunkt 7 dampfförmige Kältemittel strömt
in den Druckkonverter. Der Druckkonverter umfasst, wie beispielsweise in Fig. 4 näher
dargestellt, zwei Kolben 61, 66, die mittels eines Gestänges 69 miteinander verbunden
sind. Die Kolben 61, 66 befinden sich jeweils in einem Zylinder 60, 65 in dem sie
sich frei von links nach rechts und von rechts nach links bewegen können. Das dampfförmige
Kältemittel strömt mit zum Beispiel einem Druck von 17,6 bar in den rechten Teil des
Zylinders 60. Somit steht ein Teil des Zylinders 60 unter Druck, welcher gegen eine
Oberfläche des ersten Kolbens 61 drückt. Dieser Druck wird auf Grund dessen, dass
die beiden Kolben 61, 66 durch das Gestänge 69 miteinander verbunden sind auf den
anderen Kolben 66 übertragen. Da der Druck im ersten Zylinder 60 (17,6 bar) und der
Druck im anderen, zweiten Zylinder 65 (beispielsweise etwa 3,7 bar) in der Summe größer
ist als beispielsweise 10,4 bar im ersten Zylinder 60 plus etwa 10,4 bar im zweiten
Zylinder 65, bewegen sich die Kolben 61, 66 von links nach rechts gemäß dem Druckgefälle.
[0025] Das in der Fig. 1 schematisch dargestellte Verfahren ist beispielsweise ein Kältemittelverfahren,
indem Wärme von einem Kessel eingespeist (von Betriebspunkt 6 über den Generator 12
zu Betriebspunkt 7), sodass das Kältemittel verdampft. Die Wärme wird nicht aus dem
Brennraum des Kessels, sondern aus dem Kesselvorlauf entnommen. Der Kältemitteldampf
(Betriebspunkt 7) strömt in den Druckkonverter und der Druckkonverter treibt angetrieben
vom oberen Kältemittelprozess oder - verfahren den unteren Kältemittelprozess direkt
an. Das heißt, dass das Kältemittel im unteren Prozess verdichtet wird (von Betriebspunkt
1 durch den Druckkonverter zu Betriebspunkt 2). Im Verdampfer 22 wird Wärme aus der
Außenluft aufgenommen (von Betriebspunkt 4 über den Verdampfer 22 zu Betriebspunkt
1). Im Kondensator 13/23 wird die vom Kessel und aus der Außenluft in den Kältemittelprozess
eingebrachte Wärme an einen Heizungsrücklauf abgegeben (von Betriebspunkt 5/2 über
den Kondensator 13/23 zu Betriebspunkt 3).
[0026] Die Klimatisiervorrichtung 100 nach Fig. 1 weist somit zwei Arbeitskreisläufe 10,
20 auf und ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Klimatisiereinrichtung
zum Kühlen und/oder Wärmen mit zwei Kältemittelkreisen ausgebildet. Die zwei Arbeitskreisläufe
10, 20 sind über eine als Druckkonverter ausgebildete Vorrichtung 30 miteinander gekoppelt.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind die Arbeitskreisläufe 10,
20 zumindest teilweise integriert ausgebildet.
[0027] Fig. 2 zeigt schematisch in einem Blockdiagramm eine Ausführungsform der Erfindung
als Klimatisiervorrichtung mit zwei getrennten Arbeitskreisläufen 10, 20. Entsprechend
ist kein gemeinsamer Kondensator 13/23 vorgesehen. Ansonsten entsprechen sich die
Klimatisiervorrichtungen 100 nach Fig. 1 und Fig. 2, sodass auf eine ausführliche
Beschreibung bereits beschriebener Bauteile und Funktionsabläufe oder Betriebspunkte
verzichtet werden kann.
[0028] Wie auch die Klimatisiervorrichtung 100 nach Fig. 1 weist die Klimatisiervorrichtung
100 nach Fig. 2 zwei Arbeitskreisläufe 10, 20 auf. Die Klimatisiervorrichtung 100
nach Fig. 2 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Klimatisiereinrichtung
zum Kühlen und/oder Wärmen mit zwei Kältemittelkreisen ausgebildet. Die zwei als Kältemittelkreislauf
ausgebildeten Arbeitskreisläufe 10, 20 sind über die als Druckkonverter ausgebildete
Vorrichtung 30 miteinander gekoppelt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel nach
Fig. 2 sind die Arbeitskreisläufe 10, 20 separat ausgebildet. Die Vorrichtung 30 für
eine Druckübertragung zwischen den zwei Arbeitskreisen 10, 20, genauer zwischen den
zwei Kältemittelkreisen der Klimatisiervorrichtung 100, umfasst einen ersten doppeltwirkenden
Zylinder 60 mit einem Kolben 61, welcher in einem ersten Arbeitskreis 10 angeordnet
ist, und einen zweiten doppeltwirkenden Zylinder 65 mit Kolben 66, welcher in dem
zweiten Arbeitskreis 20 angeordnet ist. Der erste Kolben 61 ist mit dem zweiten Kolben
66 über ein Gestänge 69, wie genauer im Zusammenhang mit Fig. 4 erläutert wird, verbunden.
Dadurch, dass die Kältemittelkreisläufe getrennt ausgebildet sind, können auch unterschiedliche
Kältemittel in den Kältemittelkreisläufen strömen. Entsprechend strömt beispielsweise
in dem linken Kältemittelkreislauf 10, der auch als Antriebskreislauf bezeichnet wird,
das Kältemittel R134a. Im rechten Kältemittelkreislauf 20, der auch als Kühlkreislauf
bezeichnet wird, strömt beispielsweise das Kältemittel R410A. Aufgrund der separaten
Ausbildung der Arbeitskreisläufe 10, 20 vermischen sich die Kältemittel nicht. Ansonsten
ist die Funktionsweise die gleiche analog zu der Ausführungsform nach Fig. 1. Da die
Kreisläufe 10, 20 getrennt ausgebildet sind, sind statt mit einem gemeinsamen Kondensator
13/23, wie in Fig. 1, zwei Kondensatoren 13, 23 vorgesehen. In dem ersten Arbeitskreislauf
10 ist der Kondensator 13 vorgesehen. Der zweite Arbeitskreislauf 20 weist den Kondensator
23 auf.
[0029] Fig. 3 zeigt schematisch ein Diagramm, bei dem der Druck über der Enthalpie während
des Betriebs der Erfindung dargestellt ist. In dem Diagramm sind die Betriebspunkte
dargestellt. Anhand dieses Diagramms, in dem auch schematisch Isotherme eingezeichnet
sind, sind die Zustände des Arbeitsfluids, genauer des Kältemittels, dargestellt.
Der erste Arbeitskreislauf 10 verläuft gemäß der Betriebspunkte 3 - 6 - 7 - 5. Der
zweite Arbeitskreislauf verläuft gemäß der Betriebspunkte 1 - 2 - 3 - 4. Schematisch
sind die verschiedenen Kennzeichnungen der Bauteile der Klimatisiervorrichtung 100
an dem Diagramm eingezeichnet, um den Ablauf zu verdeutlichen.
[0030] In dem ersten Kältekreislauf 10 wird von Betriebspunkt 6 Wärme von beispielsweise
einem Kessel über den Generator 12 zu Betriebspunkt 7 eingespeist, sodass das Kältemittel
verdampft. Der Druck bleibt, wie durch die Isobare angedeutet, im Wesentlichen gleich.
Die Enthalpie des Kältemittels erhöht sich aufgrund der Wärmeenergiezufuhr entsprechend.
Der Kältemitteldampf strömt vom Betriebspunkt 7 in den Druckkonverter und der Druckkonverter
treibt angetrieben von dem oberen Kältemittelprozess 10 den unteren Kältemittelprozess
20 direkt an. Vom Betriebspunkt 5 strömt das Kältemittel über den Kondensator 13/23
bzw. 13 zum Betriebspunkt 3. Dabei gibt das Kältemittel über den Generator Wärmeenergie
nach außen ab, wobei der Druck im Wesentlichen konstant bleibt. Durch die Fluidpumpe
11 wird das Kältemittel auf ein höheres Druckniveau bei im Wesentlichen gleich bleibender
Enthalpie gebracht und erreicht von Betriebspunkt 3 über die Fluid- oder Flüssigkeitspumpe
11 den Betriebspunkt 6, wodurch sich der erste Arbeitskreislauf 10 schließt.
[0031] In dem zweiten Kühlkreislauf 20 wird das Kältemittel im unteren Kälteprozess von
Betriebspunkt 1 über den Druckkonverter zu Betriebspunkt 2 verdichtet. Im Verdampfer
22 wird Wärme aus der Außenluft aufgenommen, sodass das Kältemittel bei im Wesentlichen
gleichbleibendem Druck von dem Betriebspunkt 4 über den Verdampfer 22 zu dem Betriebspunkt
1 auf ein höheres Enthalpieniveau gebracht wird. In dem Kondensator 13/23, 23 wird
die vom Kessel und aus der Außenluft in den Kältemittelprozess eingebrachte Wärme
an den Heizungsrücklauf abgegeben, wodurch sich bei im Wesentlichen gleichbleibendem
Druck die Enthalpie wieder verringert.
[0032] Fig. 4 zeigt schematisch in vier Unterfiguren 4a bis 4d die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen
Vorrichtung 30 gemäß Fig. 1 und 2 in vier unterschiedlichen Zuständen. Die Vorrichtung
30 für eine Druckübertragung zwischen den zwei Arbeitskreisen 10, 20, genauer zwischen
den zwei Kältemittelkreisen der Klimatisiervorrichtung 100, umfasst einen ersten doppeltwirkenden
Zylinder 60 mit einem Kolben 61, welcher in einem ersten Arbeitskreis 10 angeordnet
ist, und einen zweiten doppeltwirkenden Zylinder 65 mit Kolben 66, welcher in dem
zweiten Arbeitskreis 20 angeordnet ist. Der erste Kolben 61 ist mit dem zweiten Kolben
66 über ein Gestänge 69 verbunden. Wie in den Figuren 4a bis 4d zu sehen ist, wandern
die Kolben im Betrieb simultan aufgrund der Verbindung über das Gestänge 69 von links
nach rechts und zurück. Dabei wird in Fig. 4a der linke Teil des Zylinders 60 mit
unter Druck P1 (17,6 bar) stehendem Kältemittel beladen und der rechte Teil des Zylinders
60 wird in den Kondensator 13/23 bzw. 13 (Betriebspunkt 5) mit dem Druck P3 (10, 4bar)
entladen. In dem zweiten Zylinder 65 wird der rechte unter Druck P3 (10,4 bar) stehende
Teil in den Kondensator 13/23 bzw. 23 (Betriebspunkt 2) entladen und der linke Teil
wird mit Kältemittel, das vom Verdampfer kommt, und mit dem Druck P3 (3,7 bar) beaufschlagt
ist, beladen. Dabei wandert der Kolben gemäß dem herrschenden Druckgefällt hin zu
dem zweiten Zylinder 65. Entsprechend sind die Stellmittel 41-44 und 51 - 54 geschaltet.
In dem ersten Arbeitskreislauf 10 sind ein Stellmittel 41 (das von Betriebspunkt 7
zu dem linken Teil des Zylinders 60 führt) und ein Stellmittel 44 (das vom rechten
Teil des Zylinders 60 zu dem Betriebspunkt 5 führt) geöffnet. Die beiden anderen Stellmittel
42 (von dem rechten Teil des Zylinders 60 zu dem ersten Stellmittel 41 bzw. Betriebspunkt
7 führend) und 43 (von dem linken Teil des Zylinders 60 zu dem Betriebspunkt 5 bzw.
dem Stellmittel 44 führend) sind geschlossen. In dem zweiten Arbeitskreislauf 20 sieht
die Schaltung der Stellmittel 51-54 entsprechend aus. Die Stellmittel 51 (von Betriebspunkt
1 zum linken Teil des Zylinders 65) und 54 (vom rechten Teil des Zylinders 65 zu dem
Betriebspunkt 2) sind geöffnet. Die Stellmittel 52 (von dem rechten Teil des Zylinders
65 zu dem Betriebspunkt 1 ) und 53 (von dem linken Teil des Zylinders 65 zu dem Betriebspunkt
2) sind geschlossen. Befinden sich die beiden Kolben 61, 66 ganz rechts an den Zylindern
60, 65, wird durch Öffnen und Schließen der Fließwege des Kältemittels mittels Ansteuern
der Stellmittel 41-44 und 51-54 beim Zylinder 60 in der Druckübertragung der Prozess
umgekehrt. Wie in der Fig. 4b zu sehen, ist der Fließweg für das unter Druck P2 (17,6
bar) stehende Kältemittel in den linken Teil des Zylinders 1 verschlossen. Gleichzeitig
ist aber jetzt der Fließweg für das unter Druck P2 (17,6 bar) stehende Kältemittel
in den rechten Teil des Zylinders 60 geöffnet. Für die Stellmittel bedeutet dies:
Die Stellmittel 42, 43 und 52, 53 sind geöffnet. Somit steht nun der rechte Teil des
Zylinders 1 unter dem Druck P2 von 17,6 bar und der linke Teil unter dem Druck P1
von 10,4 bar. Damit jetzt nicht unter Druck P2 (17,6 bar) stehendes Kältemittel in
den Kondensator 13/23 strömt, werden simultan die Fließwege des Kältemittels zum Kondensator
13/23, 23 (Betriebspunkt 5) verändert, indem das jeweilige, als Ventil ausgebildete
Stellmittel 43, 53 zum Kondensator 13/23, 23 geschlossen wird und das untere rechte
Ventil 44, 54 zum Kondensator 13/23, 23 geöffnet wird.
[0033] Die beiden Kolben 61, 66 kehren nun ihre Richtung um und bewegen sich von rechts
nach links, das heißt in Richtung erster Zylinder 60. Es findet wieder eine Druckübertragung
vom oberen (ersten, 10) Arbeitskreislauf auf den unteren (zweiten, 20) Arbeitskreislauf
statt. Der Prozess läuft wie zuvor beschrieben ab. Die Kolben 61, 66 bewegen sich
jetzt jedoch von rechts nach links, das heißt vom zweiten Zylinder 60 zum ersten Zylinder
65, wie es anhand von Fig. 4c zu erkennen ist. Wenn die Kolben 61, 66 ganz nach links
gewandert sind, wird der Prozess durch Umstellen der Fließwege mittels der Ventile
wieder umgekehrt.
[0034] Im Sammel-/Expansionsbehälter 14 werden beide Kältemittelströme gesammelt und von
da an in den Kondensator 13/23, 23 geleitet, in dem das Kältemittel kondensiert. Im
Betriebspunkt 3 strömt ein Teil des Kältemittels in den unteren Arbeitskreislauf 20
zum Verdampfer und ein anderer Teil wird mittels der Flüssigkeitspumpe 11 auf Druck
gebracht und zum Generator 12 geführt.
[0035] Fig. 5 zeigt schematisch in zwei Unterfiguren zwei Ausführungsformen der Erfindung,
einmal ohne (5a) und einmal mit (5b) Wärmespeicher. In Fig. 5a weist die Klimavorrichtung
100 Solarkollektoren 200 auf. Über diese wird Wärme aus einer Solarstrahlung gewonnen
und zu dem Generator 12 geführt. Der Generator 12 erwärmt das Kältemittel und das
erwärmte Kältemittel gelangt in den Druckkonverter. Von dem Druckbehälter strömt das
Kältemittel zu dem in einem Außenbereich 300 angeordneten Kondensator 13/23. Herrschen
im Außenbereich 300 beispielsweise Temperaturen von 35 °C, so wird beispielsweise
das Kältemittel, welches eine Temperatur von 40 °C hat, gekühlt. Das auf etwa 35 °C
gekühlte Kältemittel strömt dann weiter zu einem Knotenpunkt, an dem sich die bis
dahin integriert ausgebildeten Arbeitskreise 10, 20 trennen. Einerseits verzweigt
das Kältemittel zu dem Generator 12. An dem Generator 12 wird das Kältemittel erneut
erwärmt, wie zuvor beschrieben. Andererseits strömt das Kältemittel zu dem Verdampfer
22. Dort verdampft das Kältemittel bei einer herrschenden Umgebungstemperatur von
24 °C - beispielsweise einer Raumtemperatur - und nimmt bei der Verdampfung beispielsweise
Wärme mit einer Temperatur von 15 °C auf. Hierdurch wird die Umgebung entsprechend
abgekühlt. Von dem Verdampfer 22 gelangt das erwärmte Kältemittel zu dem Druckkonverter,
indem das Kältemittel angetrieben durch den ersten Arbeitskreislauf 10, verdichtet
wird und gemeinsam mit dem Kältemittel aus dem ersten Arbeitskreislauf in den Sammelbehälter
14 gelangt. Anstatt dass das Kältemittel in dem Außenbereich gekühlt wird, ist in
Fig. 5b zusätzlich zu dem Kondensator 22 ein Wärmespeicher 28 vorgesehen. Die Wärme
des Kältemittels wird somit in dem als Brauchwasserspeicher ausgebildeten Wärmespeicher
zwischengespeichert. Beide Ausführungsformen nach Fig. 5a und 5b weisen zumindest
teilweise integrierte Arbeitskreisläufe 10, 20 auf, sodass für beide Kreise das gleiche
Kältemittel verwendet wird.
[0036] Fig. 6 zeigt schematisch in einem Blockschaltbild eine weitere Ausführungsform der
Erfindung in einem Heizkreis mit Kessel. In dem Betriebspunkt 1 der Ausführungsform
nach Fig. 6, das heißt in einem Rücklauf des als Heizkreis ausgebildeten Arbeitskreislaufs
10, beträgt der Energieinhalt des als Wasser ausgebildeten Kältemittels etwa 0 kW.
In Strömungsrichtung hinter dem Kondensator 13/23 beträgt der Energieinhalt des Wassers
12 kW. Diese setzen sich aus 2 kW Umweltwärme und 10 kW Kesselwärme zusammen. Im Betriebspunkt
3 beträgt der Energieinhalt etwa 22 kW, denn hier hat der Kessel etwa 10 kW an Wärmeenergie
zugefeuert. In Strömungsrichtung hinter dem Generator 12 (Betriebspunkt 4) werden
10 kW entnommen, um den Kältemittelprozess anzutreiben. Das heißt, dass sich die 12
kW, die in den Heizkreis weitergeführt werden, aus 10 kW Kesselwärme und 2 kW regenerativer
Umweltwärme zusammensetzen, was einem Wirkungsgrad von etwa 120 % entspricht. Die
Klimatisiervorrichtung 100 ist gemäß Fig. 6 als Klimatisiervorrichtung mit teilweise
integrierten Arbeitskreisläufen 10, 20 ausgebildet. Der grundsätzliche Aufbau wurde
entsprechend vorstehend beschrieben, sodass hier eine erneute detaillierte Beschreibung
entfallen kann.
1. Vorrichtung (30) für eine Druckübertragung zwischen zwei Arbeitskreisen (10, 20),
insbesondere zwischen zwei Kältemittelkreisen einer Klimatisiervorrichtung, mit einem
ersten doppeltwirkenden Zylinder (60) mit Kolben (61), welcher in einem ersten Arbeitskreis
(10) angeordnet ist, und einem zweiten doppeltwirkenden Zylinder (65) mit Kolben (66),
welcher in einem zweiten Arbeitskreis (20) angeordnet ist, wobei der erste Kolben
(61) mit dem zweiten Kolben (66) über ein Gestänge (69) verbunden ist.
2. Vorrichtung (30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zylinder (60) als Druckübertrager und der zweite Zylinder (65) als Druckerhöher
wirken.
3. Vorrichtung (30) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zulauf zu den Zylindern (60, 65) jeweils wahlweise mit einer ersten oder einer
zweiten durch den jeweiligen Kolben (61, 66) getrennten Zylinderseite fluidisch verbindbar
ist, wobei ein Ablauf von dem jeweiligen Zylinder (60, 65) entsprechend mit der zweiten
bzw. der ersten Zylinderseite verbunden ist.
4. Vorrichtung (30) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, mittels der ein Umschalten von Fließwegen
des Zulaufs zu und/oder von dem ersten Zylinder (60) parallel zu einem Umschalten
der Fließwege des Zulaufs zu und/oder von dem zweiten Zylinder (65) erfolgt.
5. Klimatisiervorrichtung (100) mit zwei Arbeitskreisläufen (10, 20), insbesondere eine
Klimatisiereinrichtung zum Kühlen und/oder Wärmen mit zwei Kältemittelkreisen, dadurch gekennzeichnet, dass
die Arbeitskreisläufe (10, 20) über eine Vorrichtung (30) nach einem der Ansprüche
1 bis 4 gekoppelt sind.
6. Klimatisiervorrichtung (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitskreise (10, 20) als integrierte Arbeitskreise, insbesondere einer Wärmepumpe
oder Kühleinrichtung, ausgebildet sind.
7. Klimatisiervorrichtung (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitskreise (10, 20) als getrennte Arbeitskreise, insbesondere einer Wärmepumpe
oder Kühleinrichtung, ausgebildet sind.
8. Verfahren zum Betreiben einer Klimatisiervorrichtung (100) mit zwei Arbeitskreisläufen
(10, 20), dadurch gekennzeichnet, dass
ein Druck (P1) eines ersten Arbeitskreislaufs (10) auf einen Druck (P2) eines zweiten
Arbeitskreislaufs (20) übertragen wird, wobei die Übertragung insbesondere mittels
einer Vorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass
Fließwege zu und/oder von den Zylindern (60, 65) umgeschaltet werden, sodass ein Druck
(P1) kontinuierlich übertragen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass
Fließwege zu und/oder von den Zylindern (60, 65) bei Erreichen von maximalen Verfahrwegen
der Kolben (61, 66) umgeschaltet werden.