[0001] 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.
[0002] 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:
[0003] wobei Q
o der aufgenommene Wärmestrom und Q
2 der Nutzwärmestrom bei der Temperatur T
2 ist.
[0004] 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.
[0005] 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.
[0006] 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.
[0007] 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.
[0008] 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.
[0009] 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.
[0010] 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.
[0011] 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.
[0012] 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.
[0013] Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen thermischen Wärmepumpe ist folgende:
Im Verdampfer 21 wird bei einer mittleren Temperatur T der Wärmestrom Qo 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 T1 < T0, wobei der Wärmestrom Q1 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 T2 der Restdampf kondensiert, wobei der Nutzwärmestrom Q2 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.
[0014] 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.
[0015] Für eine thermische Wärmepumpe mit einer Wärmezufuhr von Qo = 1 kw ist folgende Dimensionierung
vorzusehen:
Wärmeträger: H20
Wandmaterial: Cu
T0: 30° C --- T1: 25° C --- T2: 35° C
[0016] 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
[0017] Machzahl am Ausgang des Treibkondensators: 0,97.
[0018] 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.
[0019] 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.
[0020] 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.
[0021] 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.
[0022] 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.
[0023] 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.
[0024] 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.
[0025] 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.
[0026] 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.
[0027] 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.