DE19939143A1 - Solarmotorisch betriebene Klimaanlage - Google Patents
Solarmotorisch betriebene KlimaanlageInfo
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Abstract
Verfahren zur Klimatisierung von Räumen. DOLLAR A Die Anlage weist folgende Komponenten auf: Dampfkessel (1), Dampfmotor (2), Kondensator (5), Kompressor (13); Pumpe (7), Entspannungsventile (17; 18), Wärmetauscher (16; 5). Kompressor (13) und Pumpe (7) werden durch einen Kolbenmotor (2), vorzugsweise Freikolbenmaschine bzw. Flügelzellenmotor, direkt angetrieben. Der Kolbenmotor (2) bezieht seine Antriebsenergie aus dem Verdampfer (1) welcher seine Verdampfungsenergie vorzugsweise von der Sonne bezieht (Sonnenkollektor). Die Anlage kann ohne Fremdenergie (elektrische Energie) betrieben werden. Zum heizen wird ein Teil des Dampfes aus dem Dampfkessel im Kompressor auf ein höheres Energieniveau gebracht und durch den hausseitigen Wärmetauscher geleitet. Dort gibt der Dampf seine Energie in Form von Wärme an den Heizungswärmetauscher ab und kondensiert dann in Drossel (17). Zum Kühlen wird das dampfförmige Arbeitsmittel durch den Außenwärmetauscher geleitet und abgekühlt, bis es kondensiert. Das unter Druck stehende Arbeitsmedium wird im Entspannungsventil (18) entspannt und gibt seine Kühlleistung an den Heizungswärmetauscher ab.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine solarbetriebene Klimaanlage zur
Klimatisieren von Räumen. Der Kreisprozeß für Arbeits- und
Kraftkreislauf ist ein Dampfprozeß und findet in einem geschlossenen
Kreislauf statt, d. h. Antriebs- und Arbeitskreislauf sind teilweise zu einem
Kreislauf zusammengefaßt (siehe Abbildung Nr. 1a-2c).
Es sind Vorrichtungen und Verfahren zur Erzeugung von Wärme und
Kälte bekannt, welche das Arbeitsmittel verdampfen, anschließend in
einem Verdichter verdichten, danach in einem Kondensator verflüssigen
und das verflüssigte Arbeitsmittel wieder in den Verdampfer
zurückfördern (z. B. PATENTSCHRIFT DE 195 33 755 C2 oder
DE 41 29 772 A1). Zum Beheizen eines Raumes sind diese Vorrichtungen
gemeinhin als Wärmepumpen bekannt.
Zum Antrieb des Kompressors ist seither Fremdenergie notwendig.
Diese wird meist in Form von elektrischer Energie zugeführt
(Elektromotoren). Ebenso wird die Pumpe, welche das flüssige
Arbeitsmedium aus dem Kondensator wieder auf den höheren Druck im
Verdampfer pumpt, üblicherweise mit Elektromotoren angetrieben. Ein
autarker Betrieb der Anlage mit Elektromotoren ist nicht bzw. nur über
den Umweg durch den Einsatz von teueren Solarzellen möglich.
Desweiteren benötigen die bekannten Klimaanlagen eine Vielzahl von
Sensoren für die Regelung und Steuerung der Anlage, welche alle
elektrische Energie für den Betrieb benötigen. Stand der Technik ist
auch ein Freikolbenmotor, welcher den Kolben auf einer Seite als
Motorkolben und auf der anderen Seite als Arbeitsmaschine (hier
Kompressor) nutzt. Auch sind Freikolbenmaschinen mit selbsttätiger
Motorventilsteuerung (z. B. Patentanmeldg. 199 38 543.2 v. 18.9.99) bekannt. Ebenso
Stand der Technik sind Flügelzellenmaschinen, welche als
Arbeitsmaschinen (Pumpen) oder auch als Kraftmaschinen (Motoren)
eingesetzt werden.
Die notwendigen Regelungseinrichtungen werden alle druckgesteuert
betrieben. Elektronische Überwachungseinrichtungen sind nur als
zusätzliche Sicherheit vorgesehen, beziehungsweise um den Betrieb
und die Suche nach Störungen zu vereinfachen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Klimaanlage zu schaffen,
welche ausschließlich mit Thermalenergie, vorzugsweise mit
Sonnenenergie betrieben werden kann und diese sowohl zum Heizen
wie auch zum Kühlen einsetzbar ist. Im Prinzip kann zum Betrieb der
Klimaanlage jede Wärmequelle eingesetzt werden. Zusätzlich ist aber
auch die Möglichkeit gegeben die benötigte Wärmeenergie durch einen
Heizkessel in die Anlage einzuspeisen. Außerdem soll die Anlage
kostengünstig in der Herstellung, Wartung und Betrieb sein. Zudem
werden die natürlichen Ressourcen durch niedrigen Primärenergiebedarf
geschont.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Kennzeichnungsteil des
Patentanspruches gelöst.
In der Anheizphase, wenn infolge geringer Leckagen im gesamten
System ein konstanter Druck herrscht, wird wie in Fig. 1a und 1b
ersichtlich, das flüssige Kältemittel im Sonnenkollektor 1 verdampft und
dadurch das Volumen vergrößert und somit der Druck im
Sonnenkollektor 1 erhöht. Wenn die Druckdifferenz zwischen Kühler 5
und Sonnenkollektor 1 groß genug ist um den Betrieb des Motors zu
gewährleisten, öffnet das digitale Ventil 19 und der Dampf kann vom
Sonnenkollektor 1 über Leitung 2 in den Motor 3 gelangen und dort
Arbeit verrichten, indem der Motor die Aggregate 2 und 3 antreibt. Über
Leitung 4 gelangt der unter Druck stehende Dampf in den Außenkühler 5
(die Rückschlagventile 12 sorgen dafür, daß der Dampf vom
Sonnenkollektor 1 durch den Motor 3 und zum Außenkühler 5 strömen
muß). Im Außenkühler 5 wird der Dampf abgekühlt und verflüssigt.
Durch die Verflüssigung wird das Volumen im Außenkühler 5 wesentlich
kleiner gegenüber dem Sonnenkollektor 1. Im laufenden Betrieb wird
durch die Pumpe 7 das unter dem Kühlerdruck 6 stehende flüssige
Kühlmittel wieder auf den Sonnenkollektordruck in Sonnenkollektor 1
gepumpt. Da das flüssige Arbeitsmedium ein wesentlich kleineres
Volumen als das dampfförmige Arbeitsmedium hat (etwa 30 mal kleiner)
kann auch die Pumpe entsprechend klein gebaut werden. Die als
Rückschlagventile ausgebildeten Kompressor und Pumpenventile 12
geben dem Kreislauf die richtige Fließrichtung: vom Sonnenkollektor 1
zum Motor 3 zum Außenkühler 5 durch die Pumpe 7 und wieder zum
Sonnenkollektor 1.
In der Heizperiode Fig. 1a ist das Ventil 11 so geschaltet (z. B. mittels
Magnetventil), daß ein Teil des Dampfes aus dem Sonnenkollektor 1
direkt in den Kompressor 13 geleitet wird. Dort wird das Kältemittel auf
einen höheren Druck bzw. Enthalpie gebracht. Ventil 14 ist (z. B. mittels
Magnetventil) so geschaltet, daß das Kältemittel über Leitung 15 direkt in
den Wärmetauscher für den hausseitigen Heizkreislauf gelangt. Im
Wärmetauscher 16 gibt das Arbeitsmittel den Großteil seiner Energie ab.
In der Drossel 17 wird der Kühlmitteldruck aus dem Wärmetauscher 16
wieder dem Kühlmitteldruck aus dem Außenkühler 5 angepaßt. Das
restliche Arbeitsmedium, welches nicht direkt vom Sonnenkollektor 1 in
den Kompressor 13 gelangt, treibt den Motor 3 an und wird durch den
Außenkühler 5 abgekühlt und über Pumpe 7 wieder dem
Sonnenkollektor 1 zugeführt.
Zum Kühlen wird nach Fig. 1b ein Teil des aus dem Außenkühler 5
kommenden flüssigen Arbeitsmedium durch Drossel 18 geleitet. Das
restliche flüssige Arbeitsmedium wird direkt aus dem Kühler 5 über die
Pumpe 7 dem Sonnenkollektor 1 zugeführt. In Drossel 18 wird das
Arbeitsmedium entspannt, wodurch es sich stark abkühlt. Im
Wärmetauscher 16 gibt das Kältemittel seine Energie (Kälteleistung) an
das Haussystem ab. Ventil 17 ist so geschaltet (z. B. mittels
Magnetventil), daß das Kältemittel aus dem Kühler 16 in den
Kompressor 13 gelangt. Im Kompressor 13 wird das Kältemittel auf den
Druck im Außenkühler 5 gebracht. Ventil 14 ist so geschaltet (z. B.
mittels Magnetventil), daß das Kältemittel aus dem Kompressor 13 in
den Außenkühler 5 gelangt. Im Außenkühler 5 vereinigt sich der
Kältemittelkreislauf aus dem Kompressor 13 mit dem aus dem Motor 3
kommenden Kältemittel. Im Außenkühler 5 wird das Kältemittel aus dem
Kompressor 13 wieder verflüssigt.
In der Heizperiode Fig. 1a, wenn die Umgebungstemperatur unter 15°C
sinkt, ist Drossel 18 geschlossen, da im Hauswärmetauscher 16 die
Temperatur und somit auch der Druck größer ist als im Außenkühler 5,
dadurch schließt das Rückschlagventil 18. Aus dem selben Grund
dichtet der Ventilkörper in Ventil 14 die Leitung 4 ab. Dadurch wird das
Arbeitsmedium aus Kompressor 13 direkt in den Wärmetauscher 16 über
Leitung 15 gefördert und gibt dort die Wärmeenergie ab.
Beim Heizen wird ein Teil des im Sonnenkollektor verdampften
Arbeitsmediums direkt durch den Kompressor 13 gefördert. Das
geschieht, weil das Rückschlagventil 17 öffnet und Ventil 11 die
Leitung 10 freigibt. Durch den Kompressor 13 entsteht ein höherer Druck
in Leitung 20 als der Sonnenkollektor 1 in Leitung 10 induziert. Durch
diese Druckdifferenz schließen zwei starr miteinander verbundene
Ventilkörper (z. B. Kugeln) in Ventil 11/Leitung 20 dicht. Da auch ein
größerer Druck im Heizungswärmetauscher vorliegt als im
Außenwärmetauscher 5, bleibt Rückschlagventil 18 geschlossen.
Wenn die Außentemperatur über 15° steigt, soll in der Regel gekühlt
werden (Fig. 1b). Beim Kühlen ist Drossel 18 geöffnet, da im Haus
wärmetauscher 16 eine geringere Temperatur bzw. ein geringerer Druck
anliegt als im Außenkühler 5. Deshalb fließt das ganze Arbeitsmittel
zuerst durch den Kühler 5, wo es kondensiert. Danach durch das
Entspannungsventil 18 in den Wärmetauscher 16, wo das Arbeitsmittel
seine Kühlleistung an das Haussystem abgibt. Da im Wärmetauscher 16
ein geringerer Druck als im Außenkühler 5 anliegt, wird der Ventilkörper
in Ventil 14 auf Leitung 15 gedrückt und dichtet diese ab. Somit wird im
Kühlungsfall das gesamte Arbeitsmittel zuerst durch den Außenkühler 5
geleitet. Drossel 17 schließt in diesem Fall. Da im Sonnenkollektor 1, also
auch in Leitung 2 und 10, aber ein höherer Druck herrscht als in Leitung
20, dichtet das Ventil 11 Leitung 10 ab, und das Arbeitsmittel aus dem
Wärmetauscher 16 fließt wieder in den Kompressor 13.
Aus klimatechnischen Gründe werden zwei Kompressoren eingesetzt
(siehe Fig. 2a, 2b, 2c), damit in der Kühlperiode die abgekühlte ent
feuchtete Luft nachgeheizt werden kann. Somit kann in der Heizperiode
und in feuchten Räumen, z. B. Schwimmbädern, die Luft entfeuchtet
werden.
Beim Antrieb des Motors 3 mit Sonne wird im Sonnenkollektor 1 das
Kältemittel verdampft. Das digitale Ventil 19 ist geschlossen, bis ein
bestimmter Differenzdruck zwischen Sonnenkollektor 1 und Außenkühler
5 überschritten wird. Ist dieser Differenzdruck überschritten, öffnet Ventil
19 und schließt gleichzeitig Ventil 61. Der Motor 3 beginnt zu laufen und
treibt die Kompressoren 13, 19 sowie die Pumpe 7 an. Das Ventil 27 ist
druckausgeglichen und wird mit einer Druckfeder in Ruhestellung nach
Fig. 3a in Stellung 2 gehalten. Da der Heizkesselwärmetauscher 21 nicht
in Betrieb ist, gibt Leitung 51 praktisch keinen Überdruck an den Kolben
(Fig. 3a) an Ventil 28 weiter (deshalb bleibt Ventil 28 in Ruhestellung
nach Fig. 3a, Stellung 2), und die Leitung zum Außenkühler 5 ist
freigeschaltet. Bei Sonnenbetrieb muß der Motorkreislauf meist durch den
Außenkühler zirkulieren, da die Temperaturdifferenz zwischen
Sonnenkollektor 1 und Heizungswärmetauscher 16 für einen
störungsfreien Betrieb zu gering ist, um den Motorkreislauf zum Heizen
im Wärmetauscher 16 zu nutzen. Die Pumpe 7 bringt das kondensierte
Arbeitsmedium wieder auf den Sonnenkollektordruck im Sonnenkollektor
1. Da bei ausreichender Sonneneinstrahlung keine Zusatzheizung
benötigt wird, soll auch nichts durch den Heizkesselwärmetauscher 21
strömen. Dies wird durch Ventil 25 erreicht, indem ein Druckvergleich
zwischen Leitung 26 und Leitung 36 vorgenommen wird. Kompressor 19
erzeugt einen gewissen Druck. Dieser wird über Steuerleitung 54 in einen
Kolben in Ventil 25 weitergegeben (Fig. 3b). Mittels Steuerleitung 55 wird
der Druck in Leitung 26 abgegriffen und an einen Kolben in Ventil 25
weitergegeben (Fig. 3b). In Leitung 26 herrscht, da der Heizkessel
wärmetauscher 21 nicht in Betrieb ist, praktisch kein Überdruck, deshalb
wird das Ventil 25 entsprechend Fig. 3b, Stellung 1 (nach Gesamt
schaltbild Fig. 2a und 2b) geschaltet, und ein Teil des Fördervolumens
aus Pumpe 7 gelangt direkt in den Sonnenkollektor.
Wenn die Pumpe 7 mehr Flüssigkeit in den Sonnenkollektor 1 fördert als
dort verdampft werden kann, gibt eine Meldeeinrichtung (z. B.
Schwimmerdose) ein Signal an Drossel 23 weiter. Diese öffnet, wenn der
Dampf aus dem Sonnenkollektor 1 zuviel Flüssigkeit mitführt. Mit Leitung
24 und Drossel 23 wird somit die Fördermenge der Pumpe 7 in den
Sonnenkollektor 1 geregelt (Bypass).
Motorkreislauf beim Heizen ohne Sonne (Fig. 2c), wenn die Sonnen
einstrahlung nicht mehr für eine genügende Heizleistung ausreicht, muß
über den Heizkesselwärmetauscher 21 die entsprechende Energie für
den Betrieb der Anlage eingespeist werden. Dazu muß Ventil 61 öffnen
und gleichzeitig Ventil 19 schließen. Um keine Energie zu verschwenden,
muß Ventil 28 so geschaltet werden, daß nichts durch den Außenwärme
tauscher, sondern das gesamte Kühlmittel durch den Heizungswärme
tauscher 16 strömt. Da das Ventil 28 druckausgeglichen ist, genügt ein
geringer Überdruck aus dem Heizkesselwärmetauscher 21 und Ventil 28
schaltet nach Fig. 3a in Stellung 1, und der ganze Flüssigkeitsstrom fließt
durch den Hauswärmetauscher 16. Ein Großteil des Volumenstroms soll
durch den Heizkesselwärmetauscher fließen. Dazu muß Ventil 25 in
Stellung 2 nach Fig. 3b geschaltet sein.
Dies wird erreicht, indem über Leitung 25 der Druck aus Leitung 26 in
einen Kolben in Ventil 25 einspeist Fig. 3b) und außerdem über Leitung
54 der Druck aus Leitung 36 in einen Kolben in Ventil 25 eingespeist (Fig.
3b) wird. Leitung 24 und Drossel 23 sind so geschaltet wie oben
beschrieben.
Zum Entfeuchten und Nachheizen mit Sonne (Fig. 2a) wird davon
ausgegangen, daß die Sonne den Sonnenkollektor bei einer Außen
temperatur von < 15°C auf etwa 20°C über der Außentemperatur
erhitzt. Wegen der geringen Temperaturdifferenz zwischen Sonnen
kollektor 1 und Wärmetauscher 5 muß der Motor entlastet werden. Der
Motor 3 wird dadurch entlastet, daß Kompressor 13 sein Fördervolumen
direkt durch den Außenkühler pumpt und nicht erst durch Drossel 18. Bei
einer Außentemperatur von < 15°C wird nur eine geringe Heizleistung
zum Nachheizen der gekühlten Luft gefordert, deshalb reicht ein Kom
pressor (Kompressor 19) zum Heizen aus. Zum Entfeuchten der Luft in
Kühler 27 wird aber die volle Leistung beider Kompressoren benötigt,
deshalb fördern beide ihr Saugvolumen durch den Kühler 27. In Drossel
18 wird das Arbeitsmittel bis zur Verflüssigung entspannt. Über Leitung
57 wird am Ende von Kühler 16 der Aggregatzustand der Kühlflüssigkeit
abgegriffen (z. B. mit einer Schwimmerdose). Die Drossel 18 schließt,
wenn zuviel Dampf an Ende des Kühlers 16 anliegt, und die Drossel 18
öffnet, wenn nur Flüssigkeit aus dem Kühler 16 kommt. In Pumpe 7 wird
das Kühlmittel wieder auf den Kollektordruck von Sonnenkollektor 1
aufgepumpt. Kompressor 13 und 19 saugen einen Teil des
Flüssigkeitsstroms, welchen Pumpe 7 fördert, durch den Wärme
tauscher 27 ab. In der Drossel 17 wird das unter Druck stehende flüssige
Arbeitsmittel entspannt und kühlt ab. Im Wärmetauscher 27 verdampft
das Arbeitsmedium wieder und nimmt Energie über den
Wärmetauscher 27 auf. Drossel 17 wird wie Drossel 18 geregelt, nur daß
am Ende von Kühler 27 die Kühlflüssigkeit dampfförmig vorliegen soll.
Ventil 14 muß in diesem Fall nach Fig. 3c in Stellung 1 gebracht werden.
Dieses wird durch Leitung 53 erreicht, welche den Druck aus Leitung 38
in einen Zylinder in Ventil 14 einspeist. Da Ventil 14 druckausgeglichen
ist, ist der Druck in Leitung 34 unbedeutend, d. h. es findet ein
Druckvergleich zwischen Leitung 38 und Wärmetauscher 16 statt. Da im
Sonnenkollektor 1 eine höhere Temperatur, dadurch auch höherer Druck
als im Wärmetauscher 16 anliegt, schaltet Ventil 14 in Stellung 1 nach
Fig. 3c.
Das druckausgeglichene Ventil 11 muß nach Fig. 3a in Stellung 2
geschaltet sein. Dies wird erreicht, indem zwischen Leitung 15 (bzw.
Wärmetauscher 16) und Sonnenkollektordruck aus Leitung 70 verglichen
wird. Da im Sonnenkollektor 1 ein größerer Druck als im Wärmetauscher
16 anliegt, schaltet Ventil 11 entsprechend Fig. 3a in Stellung 3c.
Beim Heizen und Entfeuchten mit Sonne (Fig. 2b), wird von einer
Außentemperatur <15°C und einer Sonnenkollektortemperatur von etwa
25°C über der Umgebungstemperatur ausgegangen. In dieser
Betriebsart werden die Dampfströme beider Kompressoren 13 und 19
durch den Wärmetauscher 16 geleitet, um die volle Heizleistung in der
kalten Jahreszeit zu nutzen. Außerdem bezieht der Kompressor 13 sein
Ansaugvolumen direkt aus dem Sonnenkollektor 1, da in der Heizperiode
der Wärmetauscher 27 nur zum Entfeuchten der Luft benötigt wird und
die Kälteleistung somit nur eine untergeordnete Rolle spielt.
Ventil 25, 17, 23, 18 und 28 werden - wie unter Nachheizen und
Entfeuchten mit Sonne beschrieben - betrieben. Ventil 14 wird nach Fig.
3a in Stellung 1 geschaltet. Dies wird dadurch erreicht, daß im
Wärmetauscher 16 eine höhere Temperatur und somit ein größerer
Druck als im Sonnenkollektor 1 anliegt.
Ventil 11 wird nach Fig. 3a in Stellung 2 geschaltet. Dieses wird erreicht,
indem im Wärmetauscher 16 eine höhere Temperatur und somit ein
größerer Druck als im Sonnenkollektor 1 anliegt.
Die Schaltungsvariante Heizen und Entfeuchten ohne Sonne (Fig.
2c) wird benötigt, wenn die Sonne nicht genügend Energie liefert (z. B. in
der Nacht oder bei Bewölkung) die Außentemperatur aber ein Heizen
erfordert. In dieser Anordnung funktioniert die Anlage wie eine
Wärmepumpe, nur daß die Antriebsenergie keine elektrischer Energie,
sondern thermische Energie ist. Diese Energie kann z. B. von einem
Heizkessel kommen und wird über den Wärmetauscher 21 in das
System eingespeist. Der Wärmetauscher 21 übernimmt dann die
Aufgabe den der Sonnenkollektor 1 bei Sonnenschein erfüllt (wie oben
beschrieben). Der Sonnenkollektor 1 wird beim Heizen über Heizkessel
als Außeneinheit einer Wärmepumpe genutzt und nimmt Energie aus der
Umgebung auf. Damit der Sonnenkollektor 1 immer mit einem kälteren
Arbeitsmedium versorgt wird als die Außentemperatur beträgt, wird über
Leitung 56 am Ausgang des Sonnenkollektors 1 der Sättigungsgehalt
des Dampfes (z. B. über eine Schwimmerdose) überprüft. Ist der Dampf
sehr naß bzw. flüssig, wird Drossel 22 geschlossen. Das Arbeitsmedium
kühlt dadurch stärker ab und kann mehr Energie aus der Umgebung
über den Sonnenkollektor 1 absorbieren, außerdem wird weniger
Arbeitsmedium durch den Sonnenkollektor 1 geleitet. Über Leitung 70
und 33 saugt der Kompressor 13 den Dampf aus dem Sonnenkollektor 1,
pumpt diesen auf ein höheres Energieniveau und speist diesen in den
Heizungswärmetauscher 16 ein. Da im Wärmetauscher 21 ein größerer
Druck als im Wärmetauscher 16 anliegt, wird Ventil 14 nach Fig. 3a in
Stellung 1 geschaltet. Nach demselben Schema wird Ventil 11 nach
Fig. 3a Stellung 1 gebracht.
Der Freikolbenmotor nach Fig. 4a ist nach seinen Hauptansprüchen
nach Patent XYZ "Selbsttätige Motorventile" gekennzeichnet. Es wurden
ein paar Veränderungen vorgenommen, um den Motor nach Patent XYZ
auf die vorliegende Aufgabe zu adaptieren. Die Änderungen werden
nachfolgend beschrieben.
Der Motor 3 (Fig. 1a) wird direkt über Kolben 6 (Fig. 4a) mit der Pumpe 7
(Fig. 4a) und Kompressor 13 gekoppelt.
Der Kolben 6 (Fig. 4a) ist sowohl Motorkolben für Motor 3 (siehe Fig. 1a)
als auch Pumpenkolben für Pumpe 7 (Fig. 4a). Der Kolben 10 (Fig. 4a)
ist hydraulisch mit dem Kolben 6 (Fig. 4a) in Raum 8 (Fig. 4a) gekoppelt.
Dadurch wird eine gegenläufige Bewegung von Kolben 10 (Fig. 4a) und
Motorkolben 6 erreicht und es kann ein Massenausgleich der beiden
Kolben erfolgen. Ab einer bestimmten Druckdifferenz zwischen
Sonnenkollektor 1 (Fig. 1a) und Außenkühler 3 (Fig. 1a), kommt der
Motor 3 (Fig. 1a) in eine überkritische Frequenz. Um eine Beschädigung
der Freikolbenmaschine zu vermeiden, muß diese abgebremst werden.
Diese Frequenzanpassung wird mit Kolben 10 (Fig. 4a) erreicht, der
dann als Gasdruckfeder arbeitet. Bei einer unterkritischen Frequenz wird
Kolben 10 (Fig. 4a) vor seiner absoluten Endlage von den Gaspolstern,
welche sich in den Räumen 9 und 11 (Fig. 4a) aufbauen, abgebremst.
Wenn eine kritische Frequenz erreicht ist, steckt soviel kinetische
Energie im Kolben 10 (Fig. 4a), daß dieser das Gaspolster so stark
zusammendrückt, daß die Rückschlagventile 12 bzw. 13 (Fig. 4a) sich
öffnen und das komprimierte Gas aus Raum 11 bzw. 9 ausströmt. Bei
der Rückbewegung entsteht ein Unterdruck im Raum 11 bzw. 13 und der
Kolben 10 bzw. über die Kopplung im Raum 8, wird der Kolben 6 bis zu
einer unterkritischen Frequenz abgebremst. Wenn der Motor wieder in
eine unkritische Frequenz kommt, füllen sich die Räume 9 und 11 durch
Leckage und die Gasfeder 10 ist nahezu kraftneutral. Das bedeutet, der
Kolben 6 kann sich fast ungebremst bewegen. Feder 14 sorgt dafür, daß
der Kolben 6 bei geschlossenem Einlaßventil und geöffnetem
Auslaßventil, wieder in seine Ruhetage, d. h. OT zurückkehrt. Die
Rückseite von Motorkolben 6 ist gleichzeitig der Kompessorkolben. In
Raum 4 wird das Arbeitsmedium, welches aus dem Sonnenkollektor 1
(Fig. 1a) bzw. aus dem Hauswärmetauscher 16 (Fig. 1b) kommt
verdichtet und über das Auslaßventil 14 (Fig. 1a und Fig. 4a)
weitergefördert.
Die Funktionsweise der Maschine bleibt im Prinzip identisch wie unter
"Freikolbenmotor (Fig. 4a) für die Schemata Fig. 1a und Fig. 1b (Anlage
mit nur einem Kompressor)" beschrieben. Es wird nur der
Gasfederkolben 10 als Stufenkolben ausgebildet. Dadurch entsteht ein
neuer Kompressorraum 17. Zusätzlich müssen noch die beiden
Kompressorventile 18 und 19 eingefügt werden.
Eine Verstellbarkeit der Flügelzellenmaschinen ist notwendig, um Verluste
zu minimieren. Dies wird erreicht, indem der Einlaßschlitz so verstellt wird,
daß nur soviel unter Druck stehendes
Medium in den Arbeitsraum gelangt daß am Ende der Arbeitsphase im
Raum 8 in etwa derselbe Druck anliegt wie im Auslaßkanal 2.
Dies wird erreicht, indem der Steuerring 7 drehbar im Gehäuse gelagert
ist. Durch den Einlaßkanal 5 gelangt das unter Spannung stehende
Arbeitsmedium über die Öffnung 6 in eine Kammer der
Flügelzellenmaschine. Da Raum 2 und Raum 3 verbunden sind, herrscht
in Raum 3 der gleiche Druck wie im Auslaßkanal 2 (meist
Umgebungsdruck). Steigt der Druck im Einlaßkanal 5 so stark, daß am
Ende der Expansion im Raum 8 ein höherer Druck als im Raum 3
anliegt dreht sich der Steuerring 7 Richtung OT. Dadurch verkleinert
sich der Kammerraum 4. Durch die Verkleinerung des Kammerraumes 4
kann nicht mehr soviel Arbeitsmedium einströmen. Durch das kleine
Anfangsvolumen beim Einströmen kann sich das Arbeitsmedium bis zum
UT mehr ausdehnen. Dadurch ist am Ende der Expansion bei UT im
Raum 8 in etwa wieder der gleiche Druck wie in Raum 3.
Im umgekehrten Fall, wenn der Druck im Einlaßkanal 5 sinkt, wird durch
die zwangsweise Expansion ein retiver Unterdruck im Raum 8
gegenüber Raum 3 erzeugt. In Diesem Fall wird der Steuerring 7
Richtung UT bewegt und der Einlaß 6 befüllt eine größere Kammer 4. Da
zwischen Befüllen und UT das Kammervolumen nicht mehr so stark -
anwächst, reicht die Expansion des weniger vorgespannten
Arbeitsmedium aus, um Druckneutralität gegenüber Raum 3
herzustellen.
Das Prinzip funktioniert sinngemäß für einen Flügelzellenmotor als auch
für eine Flügelzellenpumpe.
Claims (13)
1. Solarbetriebene Klimaanlage dadurch gekennzeichnet, daß für
den Antrieb sowie für den Betrieb der Klimaanlage ein
Dampfmotor gekoppelt mit einer Kältemaschine und einer
Speisepumpe genutzt wird. Die Klimaanlage besitzt einen
Dampfmotor für den Antrieb, einen Kompressor für den Betrieb
und eine Pumpe für die Druckerzeugung sowie einen
Sonnenkollektor für die Dampferzeugung. Ebenso einen Kühler
in dem das Kühlmittel des Arbeitskreislaufes sowie das
Kühlmittel des Kraftmaschinenkreislaufes verflüssigt wird.
Außerdem eine Umschaltvorrichtung für Heizen und Kühlen.
Der Kreisprozeß läuft zum Kühlen (Fig. 1a) und zum Heizen
(Fig. 1b) ab.
2. Solarbetriebene Klimaanlage nach Anspruch 1 dadurch
gekennzeichnet, daß Arbeitskreislauf und Kraftkreislauf in zwei
getrennten Kühlem gekühlt werden.
3. Solarbetriebene Klimaanlage nach Anspruch 1 dadurch
gekennzeichnet, daß zwei Kompressoren Anwendung finden. In
dieser Anordnung läuft der Prozeß zum Kühlen nach (Fig. 2a)
und zum Heizen nach (Fig. 2b bzw. 2c) ab.
4. Solarbetriebene Klimaanlage nach Anspruch 1 und 2 dadurch
gekennzeichnet, daß die automatische Umschaltung der Ventile
(Fig. 1a Nr. 14 und Fig. 1a Nr. 11) für Heizen und Kühlen mittels .
Druckdifferenz automatisch funktioniert.
5. Solarbetriebene Klimaanlage nach Anspruch 1 bis 3 dadurch
gekennzeichnet, daß der Dampfmotor, der Kompressor und die
Pumpe nach dem Prinzip einer Freikolbenmaschine
funktionieren.
6. Solarbetriebene Klimaanlage nach Anspruch 5 dadurch
gekennzeichnet, daß die Freikolbenmaschine eine
automatische Ventilsteuerung hat.
7. Solarbetriebene Klimaanlage nach Anspruch 5 dadurch
gekennzeichnet, daß die Ventilsteuerung mittels einer Feder so
auf den Motor wirkt, daß die Maschine bei mangelnder
Druckdifferenz immer in die Ausgangsstellung zurückfindet.
8. Solarbetriebene Klimaanlage nach Anspruch 5 dadurch
gekennzeichnet, daß die Freikolbenmaschine voll ausgleichbar
ist.
9. Solarbetriebene Klimaanlage nach Anspruch 5 dadurch
gekennzeichnet, daß die Freikolbenmaschine eine selbsttätig
Frequenzanpassung hat.
10. Solarbetriebene Klimaanlage nach Anspruch 1 bis 3 dadurch
gekennzeichnet, daß der Dampfmotor, der Kompressor und die
Pumpe nach dem Prinzip der Flügelzellenmaschine
funktionieren und die Flügelzellenmaschinen eine automatische
Schlitzsteuerung haben und sich somit automatisch auf die
Druckverhältnisse einstellen.
11. Solarbetriebene Klimaanlage nach Anspruch 10 dadurch
gekennzeichnet, daß der Motor direkt mit den Arbeitsmaschinen
gekoppelt ist.
12. Solarbetriebene Klimaanlage nach Anspruch 1 bis 11
dadurch gekennzeichnet, daß bei mangelndem Sonnenschein
die Möglichkeit besteht mit fossilen Brennstoffen die Anlage zu
betreiben (Fig. 2c), die Anlage arbeitet dann wie eine
Wärmepumpe. Einsparung gegenüber normaler Heizung.
13. Solarbetriebene Klimaanlage nach Anspruch 1 bis 13
dadurch gekennzeichnet, daß die Klimaanlage ohne
Hilfsenergie betrieben wenden kann. Elektronik nur für
zusätzliche Sicherheit nötig.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19939143A DE19939143A1 (de) | 1999-08-19 | 1999-08-19 | Solarmotorisch betriebene Klimaanlage |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19939143A DE19939143A1 (de) | 1999-08-19 | 1999-08-19 | Solarmotorisch betriebene Klimaanlage |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19939143A1 true DE19939143A1 (de) | 2001-02-22 |
Family
ID=7918780
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19939143A Ceased DE19939143A1 (de) | 1999-08-19 | 1999-08-19 | Solarmotorisch betriebene Klimaanlage |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19939143A1 (de) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2846032A1 (fr) * | 2002-08-26 | 2004-04-23 | Denso Corp | Moteur a vapeur |
DE102011114746A1 (de) | 2011-09-28 | 2013-03-28 | Okt Gmbh | Freikolben |
DE102016112784A1 (de) * | 2016-07-12 | 2018-01-18 | Viessmann Werke Gmbh & Co Kg | Kollektorfeld, Energieversorgungssystem mit einem Kollektorfeld sowie Verfahren zum Betreiben eines Energieversorgungssystems |
-
1999
- 1999-08-19 DE DE19939143A patent/DE19939143A1/de not_active Ceased
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US6931852B2 (en) | 2002-08-26 | 2005-08-23 | Denso Corporation | Steam engine |
DE102011114746A1 (de) | 2011-09-28 | 2013-03-28 | Okt Gmbh | Freikolben |
DE102011114746B4 (de) * | 2011-09-28 | 2013-05-08 | Okt Gmbh | Freikolben |
DE102016112784A1 (de) * | 2016-07-12 | 2018-01-18 | Viessmann Werke Gmbh & Co Kg | Kollektorfeld, Energieversorgungssystem mit einem Kollektorfeld sowie Verfahren zum Betreiben eines Energieversorgungssystems |
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