Betreiben einer Wärmepumpe oder Kältemaschine

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren für das Betreiben einer Wärmepumpe oder Kältemaschine mit einem Arbeitsmedium aus zwei unterschiedliche Siedepunkte aufweisenden Arbeitsstoffen, die gemeinsam als Dampfgemisch einnem Verdichtungsvorgang unterworfen werden, nach welchem das Arbeitsmedium in einem Phasentrennvorgang in eine Dampfphase und in eine Flüssigkeitsphase getrennt wird, die als Teilströme Wärmeaustauschvorgängen unterworfen werden, wobei der als Dampfphase aus dem Phasentrennvorgang abgezogene eine Teilstrom durch Wärmeentzug kondensiert und nach seinem Entspannen einem Verdampfungsvorgang durch Wärmezufuhr unterworfen wird, wonach er mit dem als Flüssigkeitsphase aus dem Phasentrennvorgang abgezogenen anderen Teilstrom nach dessen Entspannen wieder zusammengeführt und mit diesem dem Verdichtungsvorgang zugeführt wird.

[0002] Ferner betrifft die Erfindung eine Wärmepumpe oder Kältemaschine zur Durchführung des Verfahrens.

[0003] Die Anwendungsmöglichkeiten der Wärmepumpen und die Erhöhung ihrer Effektivität werden infolge der Energiekrise überall in der Welt mit erhöhter Intensität untersucht. Die Wärmepumpe ist eigentlich eine umgekehrt betriebene Kältemaschine, welche die Energie der Umgebung in einen funktionell geschlossenen Raum überführt.

[0004] Die zur Zeit bekannten Kompressions-Wärmepumpen werden meistens mit in der Kältetechnik allgemein verwendeten Kältemitteln betrieben. Der Trend der Forschungen weist ebenfalls in Richtung der Verfeinerung der in der Kältetechnik schon bewährten Methoden bzw. der Anwendung der Methoden für die Wärmepumpen. So ist ein Verfahren der eingangs erwähnten Art (DE-B- 241 468) als Kompressionsverfahren ausgestaltet, bei welchem mit einem Gemisch aus zwei Kältemitteln unterschiedlicher Siedepunkte gearbeitet wird, wobei aus dem verdichteten Kältemittel-Dampfgemisch durch partielle Kondensation die höhersiedende Komponente verflüssigt, von der tiefersiedenden dampfförmigen Komponente getrennt und zur Verflüssigung der tiefersiedenden Komponente entspannt und verdampft wird, wohingegen die verflüssigte tiefersiedende Komponente entspannt und verdampft und vor der Verdampfung der entspannten höhersiedenden Komponente wieder mit dieser gemischt wird, wonach die dampfförmige höhersiedende Komponente und die mit dieser gemischte dampfförmige tiefersiedende Komponente gemeinsam wieder verdichtet werden.

[0005] Darüberhinaus ist es jedoch auch bereits bekannt, das Absorptionsverfahren und das Kompressionsverfahren miteinander zu kombinieren. Bei einem derartigen bekannten Verfahren (DE-A-2 538 730) wird ein Kältemittel, wie ein halogenierter Kohlenwasserstoff, welches im Betriebsbereich des Verfahrens kondensiert werden kann, und ein damit verträgliches Lösungsmittel, wie ein 01, als Arbeitsmedium verwendet, und das Verfahren ist derart geführt, daß nur ein Teil des Kältemittels, z.B. die Hälfte oder weniger, während des Absorptionsvorganges in dem Lösungsmittel gelöst wird. Der restliche Kältemittelanteil wird nach dem Austritt aus dem Absorber von der mit Kältemittel angereicherten Lösung getrennt und in einem Entgaser in den Wärmeaustausch mit der reichen Lösung gebracht und dabei teilweise kondensiert, so daß durch die freiwerdende Verdampfungswärme das Kältemittel aus der Lösung ausgetrieben wird. Das ausgetriebene Kältemittel und das flüssige Lösungsmittel werden aus dem Entgaser in einen Verdichter gesaugt, in welchen auch derjenige Teil des Kältemittels, der im Entgaser zum Austreiben des in dem Lösungsmittel absorbierten Kältemittelanteils verwendet wurde, nach vollständiger Kondensierung und sich daran anschließender Verdampfung eingesaugt wird. Bei diesem bekannten Verfahren wird daher der den Kältemitteldampf verdichtende Verdichter zusätzlich zum Hindurchsaugen des Arbeitsmediums durch den Entgaser und zum Pumpen des flüssigen Lösungsmittels zur Hochdruckseite des Absorbers ausgenutzt, so daß eine zusätzliche Lösungsmittelpumpe entfallen kann. Da außerdem als Lösungsmittel ein 81 verwendet wird, wird dieses durch das Hindurchführen auch durch den Verdichter, der z.B. ein Schraubenkompressor ist, zusätzlich zu dessen Schmierung ausgenutzt. Da jedoch bei diesem Verfahren mit Überschuß an Kältemittel gearbeitet wird, ist die Verdichtungsarbeit hoch.

[0006] Bei anderen bekannten hybriden Kompressions-Absorptionsverfahren (DE-C- 84 084, DE-A- 2 617 351) wird als Arbeitsmedium z.B. Ammoniak und Wasser verwendet. Das in einem Entgasungsvorgang durch Wärmezufuhr aus den flüssigen Lösungsmittel ausgetriebene dampfförmige Kältemittel wird von dem Lösungsmittel getrennt, die aus dem abgetrennten Kältemittel bestehende Dampfphase wird nach ihrer Verdichtung in einen Absorber geführt, während die aus der abgetrennten, an Kältemittel armen Lösung bestehende Flüssigkeitsphase mittels einer Pumpe über einen inneren Wärmetauscher, in welchem die Flüssigkeitsphase im Gegenstrom zu der aus dem Entgaser, der auch als Verdampfer verstanden werden kann, abgezogenen, an absorbierten Kältemittel reichen Lösung vor deren Entspannung von dieser erwärmt wird, ebenfalls in den Absorber geführt und dort mit dem verdichteten Kältemitteldampf wieder zusammengebracht wird. Durch Wärmeentzug kondensiert der Kältemitteldampf in dem Absorber und wird in dem Lösungsmittel gelöst.

[0007] Durch die Erfindung wird die Aufgabe gelöst, das als Kompressionsverfahren bekannte Verfahren der eingangs erwähnten Art als kombiniertes Kompressions-Absorptionsverfahren derart zu gestalten sowie eine derartige Kältemaschine oder Wärmepumpe zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, daß ein energetisch hoher Wirkungsgrad erzielbar ist.

[0008] Dies wird gemäß der Erfindung bei dem Verfahren dadurch erreicht, daß als Arbeitsmedium ein Arbeitsstoffpaar aus einem Lösungsmittel und einem darin löslichen Kältemittel verwendet wird, deren Dampfgemisch bei gleichzeitiger Anwesenheit ihrer Lösung in dem Verdichtungsvorgang verdichtet wird und mit dieser aus dem Verdichtungsvorgang dem Phasentrennvorgang zugeführt wird, und daß der als Dampfphase aus dem Phasentrennvorgang abgezogene eine Teilstrom nach seinem Kondensieren von dem als Flüssigkeitsphase aus dem Phasentrennvorgang abgezogenen anderen Teilstrom nach dessen Entspannen nachgekühlt wird.

[0009] Zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung wird bei einer Wärmepumpe oder Kältemaschine, die einen mechanischen Verdichter aufweist, dem ein Phasentrenner nachgeschaltet ist, welcher dampfseitig an einen Kondensator, der über ein erstes Expansionsventil und einen Verdampfer an den Eingang des Verdichters angeschlossen ist, und welcher flüssigkeitseitig über ein zweites Expansionsventil an den Eingang des Verdichters angeschlossen ist, erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Phasentrenner an den Eingang des Verdichters flüssigkeitsseitig über einen inneren Wärmetauscher angeschlossen ist, zwischen dessen beide Wärmeaustauschseiten das zweite Expansionsventil und ein diesem nachgeschalteter Nachkühler des Kondensators eingeschaltet sind.

[0010] Da gemäß der Erfindung bei der Verdichtung die Dampfphase und die Flüssigkeitsphase des Arbeitsmediums gleichzeitig und gemeinsam vorhanden sind, laufen während der Verdichtung die Vermischung der Dampfphase und der Flüssigkeitsphase und das Inlösunggehen des dampfförmigen Kältemittels in dem flüssigen Lösungsmittel parallel mit der Druckerhöhung ab. Dadurch kommt es bei der Verdichtung zu einem Rückkühlungsvorgang und während des Inlösunggehens des Kältemitteldampfes nimmt der Massenanteil der Dampfphase ab, so daß weniger Dampf verdichtet werden muß. Gleichzeitig nimmt auch die Endtemperatur der Verdichtung ab, so daß das Verdichtungsverhältnis erhöht werden kann.

[0011] Ferner wird gemäß der Erfindung das Kühlungspotential der aus dem Phasentrennvorgang abgezogenen Flüssigkeitsphase nach deren Entspannung zum Nachkühlen des aus der Dampfphase durch Wärmeentzug niedergeschlagenen Kondensates ausgenutzt, bevor dieses entspannt und dem Verdampfungsvorgang zugeführt wird.

[0012] Die Erfindung wird ausführlicher anhand der Zeichnung erläutert, in welcher ein Schaltschema einer erfindungsgemäßen hybriden Kältemaschine bzw. Wärmepumpe dargestellt ist, die für Tiefkühlung besonders geeignet ist.

[0013] Die dargestellte Ausführungsform ist in solchen Fällen besonders zweckmäßig, wenn beim Wärmeaustausch mit der Umgebung die Anwendung eines Wärmetauschers konstanter oder nahezu konstanter Temperatur gegenüber einem Wärmetauscher, bei welchem entlang der Wärmeaustauschfläche sich kontinuierlich verändernde Temperaturen vorliegen, vorteilhafter ist, sei es an der Niederdruck- oder an der Hochdruckseite oder sogar bei allen beiden Drücken. Dieser letztere Fall, der auch in der Figur dargestellt ist, kann eigentlich als eine Weiterentwicklung der herkömmlichen Kältemaschine betrachtet werden.

[0014] Das aus dem Verdichter 8 austretende zweiphasige Arbeitsmedium hohen Druckes gelangt in einen Phasentrenner 16, wo der Weg der Flüssigkeit und des Dampfes voneinander getrennt werden.

[0015] Der Dampf wird von hier in einen an sich bekannten Kondensator 9 geführt, wo er seine Verdampfungswärme q_ko abgibt, und gelangt dann über einen Nachkühler 10 und ein druckreduzierendes Expansionsventil 14 in einen Verdampfer 15, in welchem aus der Umgebung bei beinahe konstanter Temperatur Wärme q_e entzogen wird, so daß damit im Zusammenhang das Arbeitsmedium verdampft.

[0016] Die Flüssigkeit strömt aus dem Phasentrenner 16 in einen Flüssigkeitskühler 13, in welchem sie von ihrem noch nutzbaren oder im Kältemaschinenbetrieb physikalisch noch entziehbaren Wärmeinhalt befreit wird. Danach strömt die Flüssigkeit über die eine Seite eines inneren Wärmeaustauschers 12 und ein durchreduzierendes Expansionsventil 11 in die andere Seite des Nachkühlers 10, in welchem sich das flüssige Kältemittel weiter abkühlt. Von hier gelangt die Flüssigkeit über die andere Seite des inneren Wärmeaustauschers 12 zur Saugseite des Verdichters 8, wo sie sich mit dem aus dem Verdampfer 15 kommenden Dampf vermischt.

[0017] Danach wird dieses Gemisch durch den Verdichter 8, in dem die Dampfphase durch den Einsatz von mechanischer Arbeit q_k auf das höhere Druckniveau des Kondensators 9 komprimiert wird, wieder in den Phasentrenner 16 weitergeleitet. In die vom Phasentrenner 16 abführende Dampfphasenleitung kann vor dem Kondensator 9 gegebenenfalls ein Rektifikator (nicht gezeigt) eingebaut sein, durch welchen die Kältemittelkonzentration der Dampfphase erhöht wird.

[0018] Bei der erfindungsgemäßen Anlage gelangen daher die Dämpfphase und die Flüssigkeitsphase des Arbeitsmediums zusammen und gleichzeitig in den Arbeitsraum des Verdichters 8, wo sich neben der Verdichtung auch die durch die Thermodynamik der Lösungen bestimmten physikalischen Vorgänge abspielen.

[0019] Neben der Dampfphase kann die Flüssigkeit hier sogar in zwei voneinander verschiedenen Formen anwesend sein. Einerseits kann nach dem einen Lösungsweg die Flüssigkeitsphase in ihrer spezifisch flüssigen Form vorkommen. Andererseits kann sie jedoch auch in Form von Aerosol im Dampf anwesend sein. Zur letzteren Ausführungsform sind natürlich auch eine geeignete Pumpe sowie auch ein Zerstäuber erforderlich..

[0020] Ein sehr großer Vorteil dieser 'nassen" Verdichtung liegt darin, daß während der Verdichtung die Vermischung der Dampfphase und der Flüssigkeitsphase des Arbeitsmediums und das Inlösunggehen des Dampfes parallel mit der Druckerhöhung abläuft, wobei die Dampfphase sowie die Flüssigkeitsphase bestrebt sind, in Funktion der Zeit und der Reaktionsgeschwindigkeiten - entsprechend den Gesetzmäßigkeiten der Thermodynamik der Lösungen - ein Gleichgewicht zu erreichen. Die zu diesen Gleichgewichtszuständen gehörenden Temperaturwerte sind aber immer wesentlich niedriger, als die zu einem gegebenen Druck gehörenden Temperaturwerte im Falle einer adiabaten Verdichtung.

[0021] Hinsichtlich der Dampfphase kann diese Situation also so bewertet werden, als ob sich parallel mit der Verdichtung auch ein gleichmäßiger und kontinuierlicher Rückkühlungsvorgang abspielen würde. Die energetische Bedeutung dieser Erscheinung ist für einen Fachmann wohlbekannt. Eine weitere, die Verdichtungsarbeit vermindernde Wirkung entsteht dadurch, daß während des Inlösunggehens auch der Massenanteil der Dampfphase abnimmt, und in dieser Weise weniger Dampf verdichtet werden muß.

[0022] Über die beschriebenen Erscheinungen hinaus nimmt auch die Endtemperatur der Verdichtung ab, was hinsichtlich der konstruktiven Merkmale des Verdichters sowie der verwendbaren Werkstoffe von entscheidender Bedeutung ist. Das Druckverhältnis der einstufigen Verdichtung kann wesentlich erhöht werden, wodurch das gestellte Ziel mit einfacheren und billigeren Mitteln erreicht werden kann.

[0023] Die dargestellte Ausführungsform vereinigt also die Vorteile, die die Wärmetauscher konstanten Temperaturverlaufs und die "nasse" Verdichtung, d.h. die Thermodynamik der Lösungen, anbieten. Sie kann in erster Linie bei solchen Kühlungsaufgaben vorteilhaft verwendet werden, wo ein großer Druckunterschied notwendig ist (z.B. Tiefkühlung, Heizung mit Wärmepumpe); aber sie ist auch bei herkömmlichen Kühlungsverhältnissen energetisch wirkungsvoll einsetzbar.

[0024] Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anlage besteht darin, daß sie in Abhängigkeit von den Konzentrationsverhältnissen der verwendeten Lösung an die zu lösende Aufgabe sehr elastisch angepaßt werden kann und in dieser Weise ihre Betriebskennwerte optimiert werden können.

Ansprüche

1. Verfahren für das Betreiben einer Wärmepumpe oder Kältemaschine mit einem Arbeitsmedium aus zwei unterschiedliche Siedepunkte aufweisenden Arbeitsstoffen, die gemeinsam als Dampfgemisch einem Verdichtungsvorgang unterworfen werden, nach welchem das Arbeitsmedium in einem Phasentrennvorgang in eine Dampfphase und in eine Flüssigkeitsphase getrennt wird, die als Teilströme Wärmeaustauschvorgängen unterworfen werden, wobei der als Dampfphase aus dem Phasentrennvorgang abgezogene eine Teilstrom durch Wärmeentzug kondensiert und nach seinem Entspannen einem Verdampfungsvorgang durch Wärmezufuhr unterworfen wird, wonach er mit dem als Flüssigkeitsphase aus dem Phasentrennvorgang abgezogenen anderen Teilstrom nach dessen Entspannen wieder zusammengeführt und mit diesem dem Verdichtungsvorgang zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Arbeitsmedium ein Arbeitsstoffpaar aus einem Lösungsmittel und einem darin löslichen Kältemittel verwendet wird, deren Dampfgemisch bei gleichzeitiger Anwesenheit ihrer Lösung in dem Verdichtungsvorgang verdichtet wird und mit dieser aus dem Verdichtungsvorgang dem Phasentrennvorgang zugeführt wird, und daß der als Dampfphase aus dem Phasentrennvorgang abgezogene eine Teilstrom nach seinem Kondensieren von dem at: Flüssigkeitsphase aus dem Phasentrennvorgang abgezogenen anderen Teilstrom nach dessen Entspannen nachgekühlt wird.

2. Wärmepumpe oder Kältemaschine zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem mechanischen Verdichter (8), dem ein Phasentrenner (16) nachgeschaltet ist, welcher dampfseitig an einen Kondensator (9), der über ein erstes Expansionsventil (14) und einen Verdampfer (15) an den Eingang des Verdichters (8) angeschlossen ist, und flüssigkeitsseitig über ein zweites Expansionsventil (11) an den Eingang des Verdichters (8) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasentrenner (16) an den Eingang des Verdichters (8) flüssigkeitsseitic, über einen inneren Wärmetauscher (12) angeschlossen ist, zwischen dessen beide Wärmeaustauschseiten das zweite Expansionsventil (11) und ein diesem nachgeschalteter Nachkühler (10) des Kondensators (9) eingeschaltet sind.

3. Wärmepumpe oder Kältemaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Dampfweg zwischen dem Phasentrenner (16) un dem Kondensator (9) ein Rektifikator eingeschaltet ist.

4. Wärmepumpe oder Kältemaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, das in den Flüssigkeitsweg zwischen dem Phasentrenner (16) und der dem zweiten Expansionsventil (11) vorgeschalteten Wärmeaustauschseite des inneren Wärmetauschers (12) ein Flüssigkeitskühler (13) eingeschaltet ist.

Claims

1. A process for operating a heat pump or a refrigeration machine by means or a working medium consisting or two working materials of different boiling points and being subjected in the form of a vapour mixture to a compression stage, whereafter the working medium is separated in a phase separation stage into a steam phase and a liquid phase, which phases as partial streams are subjected to heat exchange stages, wherein one partial stream drawn off from the phase separation stage as a vapour phase is condensed by heat removal and after expansion is subjected to evaporation by supplying heat thereto, whereafter it is reunited with the other partial stream after the latter, having been drawn off from the phase separation stage as a liquid phase, has been expanded, the partial streams being together passed to a compression stage, characterised in that as working medium a pair of working materials is used which consists of a solvent and a refrigerating agent soluble in the solvent, the vapour mixture or which is compressed in the compression stage in the simultaneous presence or their solution and is fed with the solution from the compression stage to the phase-separation stage, and that after its condensation, the partial stream drawn rrom the phase separation stage as a vapour phase is aftercooled by means or the other partial stream drawn from the phase-separation stage as a liquid, after expansion thereof.

2. A heat pump or refrigeration machine for carrying out the process according to claim 1, comprising a mechanical compressor (8) connected after a phase-separator (16) which at its vapour side is connected to a condenser (9) which is connected via a first expansion valve (14) and an evaporator (15) to the inlet of the compressor (8), and which at its liquid side is connected via a second expansion valve (11) to the input side of the compressor (8), characterised in that the liquid side or the phase-separator (16) is connected to the inlet of the compressor (8) via an inner heat-exchanger (12), and a second expansion valve (11) and an aftercooler (10) of the condenser (3) are interposed between the two heat-exchange sides or the heat exchanger.

3. A heat pump or refrigeration machine according to claim 2, characterised in that a rectifier is connected in the vapour path between the phase-separator (16) and the condenser (9).

4. A heat pump or refrigeration machine according to claim 2 or claim 3, characterised in that a liquid cooler (13) is connected in the liquid path between the phase separator (16) and the heat-exchange side of the inner heat-exchanger (12) which is connected before the second expansion valve (11).

Revendications

1.- Procédé d'utilisation d'une pompe à chaleur ou d'une machine frigorifique avec un fluide de travail se composant de deux substances ayant des points d'ébullition différents et qui sont soumises ensemble sous forme de mélange de vapeurs à une étape de compression après laquelle le fluide de travail est séparé, dans une étape de séparation de phases, en une phase vapeur et une phase liquide, qui sont soumises sous la forme de courants partiels à des processus d'échange de chaleur, où l'un des courants partiels, sortant sous la forme d'une phase vapeur de l'opération de séparation de phases, est condensé par extraction de chaleur et est soumis, après sa détente, à une étape de vaporisation par apport de chaleur, pour être ensuite, après sa détente, recombiné avec l'autre courant partiel sortant sous la forme d'une phase liquide de l'étape de séparation de phases et pour être admis avec celui-ci dans l'étape de compression, caractérisé en ce qu'on utilise comme fluide de travail deux substances de travail constituées par un solvant et par un réfrigérant soluble dans celui-ci, dont le mélange de vapeurs est comprimé en présence de la solution de réfrigérant dans l'étape de compression et est transféré avec cette solution de l'étape de compression vers l'étape de séparation de phases, et en ce que l'un des courants partiels sortant de l'étape de séparation de phases sous forme d'une phase vapeur est soumis à un post-refroidissement après sa condensation par l'autre courant partiel sortant de l'étape de séparation de phase sous forme d'une phase liquide après sa détente.

2.- Pompe à chaleur ou machine frigorifique pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, comportant un compresseur mécanique (8), en aval duquel est branché un séparateur de phases (16), qui est relié du côté vapeur à un condenseur (9), lui-même relié par l'intermédiaire d'une première soupape de détente (14) et d'un évaporateur (15) à l'entrée du compresseur (8), et du côté liquide, par l'intermédiaire d'une seconde soupape de détente (11) à l'entrée du compresseur (8), caractérisé en ce que le séparateur de phases (16) est relié du côté liquide à l'entrée du compresseur (8) par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur interne (12), entre les deux côtés d'échange de chaleur duquel sont interposés la seconde soupape de détente (11) et un post-refroidisseur (10) branché en aval de celle-ci, du condenseur (9).

3.- Pompe à chaleur ou machine frigorifique selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'il est prévu un appareil de rectification dans le conduit de vapeur disposé entrc le séparateur de phases (16) et le condenseur (9).

4.- Pompe à chaleur ou machine frigorifique selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce qu'il est prévu un refroidisseur de liquide (13) dans le conduit de liquide disposé entre le séparateur de phases (16) et le côté d'échange de chaleur de l'échangeur de chaleur interne (12) qui est placé en amont de la seconde soupape de détente (11).

Zeichnung