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Beschreibung
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Die Erfindung befaßt sich mit Heiz- sowie Luftklimatisierungsanlagen
und im einzelnen mit Wasserdampf-Kompressionswärmepumpen.
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Die meisten Wärmepumpen benutzen ein separates Kühlmittel, wie Freon,
Ammoniak und dergleichen, das eine große Wärmeaufnahmekapazität pro komprimierter
Volumeneinheit hat. Das Kühlmittel wird zum indirekten Beheizen und/oder Kühlen
eines anderen Fluids in einem Wärmeaustauscher benutzt. Der indirekte Wärmeaustausch
erfolgt allgemein während des Strömens des Kühlmittels durch Rohrsc#hlangen, die
in einem anderen Fluid angeordnet und hiervon umgeben sind. Das andere Fluid ist
gewöhnlich entweder Luft oder Wasser. Die Kühlmittel, wie Freon, Ammoniak und dergleichen,
erfordern relativ große Drücke.
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Der indirekte Wärmeaustausch ist mit einer übertragung durch Wärmeleitung
und daher mit anhaftenden Nachteilen bzw. Unwirksamkeiten verbunden, beispielsweise
wegen eines sich auf der Rohrleitung bildenden stagnierenden, isolierenden Films.
Zum Aufnehmen des hohen Drucks und zum Überwinden des Problems des isolierenden
Films ist es üblich, teure Materialien und Armaturen für die Rohrleitung zu benutzen
und eine solche mit einer möglichst großen Oberfläche vorzusehen. Das teure Material
und die große Oberfläche der Rohrleitung vergrößern die Größe und die Kosten der
Wärmeaustauscher. Somit machen die meisten Wärmeaustauscher einen bedeutenden Anteil
der Kosten der Wärmepumpe aus. Wenn Kühlmittel, wie Freon, Ammoniak und dergleichen,
benutzt werden, steigen die Kapitalkosten wegen der Notwendigkeit kostspieliger
Wärmeaustauscher, und die Betriebskosten steigen wegen der Unwirksamkeiten der Wärmeübertragung
ebenfalls.
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Es gibt selbstverständlich einige Wärmepumpen, die Wasser als Kühlmittel
benutzen. Diese Wärmepumpen verwenden jedoch keine mechanische Kompressoreinheiten
zum Komprimieren des Wasserdampfes. Eine bekannte Wärmepumpe, bei der Wasser das
Kühlmittel ist, benutzt einen Dampfstrahlejektor-Typ eines thermischen Kompressors.
Der Ejektor vom Dampfstrahltyp ist jedoch als relativ
unwirtschaftliches
adiabatisches Kompressionsmittel bekannt. Als in der Vergangenheit Energie relativ
preiswert war, stellte dieses ein geringeres Problem dar, während jetzt, wo Energie
teuer ist, jegliche Energieunwirksamkeit ein gravierendes Problem darstellt.
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Eine andere Art einer bekannten Wärmepumpe mit Wasser als Kühlmittel
ist die Wärmepumpe vom Absorptionstyp, welche eine Chemikalie als das mit Wasser
gemischte Absorptionsmittel benutzt.
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Auch hierbei ist der Kompressionswirkungsgrad des.Absorptionssystems
viel kleiner als der mit einer mechanischen Kompression erzielbare adiabatische
Wirkungsgrad. Somit sind die nicht mechanischen Kompressionsmittel nicht sehr zufriedenstellend.
Dieses ist einer der Gründe, daß es bis heute keine wirtschaftliche Wärmepumpe gibt,
die Wasser als Kühlmittel benutzt; und dieses gilt, obwohl bei Verwendung von Wasser
als Kühlmittel die Unwirtschaftlichkeit eines gesonderten Wärmeaustauschers zum
überführen der Wärme von einem anderen Fluid zu dem Kühlmittel vermieden wird. Wie
es bekannt ist, wird der gesonderte Wärmeaustauscher benutzt, da Kühlmittel wie
Freon und Ammoniak relativ teuer sind und es somit unzweckmäßig ist, solche Kühlmittel
in großen Volumina zum Kühlen oder Heizen großer Bereiche von einer zentralen Anlage
aus zu benutzen.
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Die meisten wirtschaftlichen Wärmepumpen benutzen heute gesonderte
Wärmeaustauscher, wobei das Kühlmittel, wie Freon und dergleichen, durch Kupferrohre
in einem großen Wärmeaustauscher strömt, um die Wärme zu einem unterschiedlichen
Fluid für das tatsächliche Wärmen oder Kühlen der erwünschten Bereiche zu übertragen.
Der gesonderte Wärmeaustauscher wird trotz der Tatsache benutzt, daß Wasser wegen
seiner spezifischen Wärme-, Viskositäts- und großen latenten Wärmeeigenschaften
ein ausgezeichnetes Kühlmittel ist. Im Vergleich zu Freon, Ammoniak und dergleichen
hat jedoch Wasser eine kleine Wärmetrag- bzw. -aufnahmekapazität pro komprimierter
Volumeneinheit. Deshalb sind allgemein teure Kompressoren mit großem Volumenstrom
erforderlich, wenn Wasser als Kühlmittel zur Luftklimatisierung (Niedertemperaturanwendungen)
benutzt wird. Somit gibt es bis jetzt
keine Wasser al$ Kühlmittel
verwendende Wärmepumpe vom mechanischen Kompressortyp. Deshalb besteht seit langem
ein Bedarf, insbesondere in großen Betrieben, für eine solche Wärmepumpe, die die
Unwirtschaftlichkeit und die großen Kosten des indirekten Wärmeaustauschers eliminieren
würde, der normalerweise benutzt wird, wenn Freon oder dergleichen als Kühlmittel
eingesetzt werden.
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Demgemäß liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine
neue und verbesserte mechanische Wasserdampf-Kompressionswärmepumpe zu schaffen,
bei der die oben erwähnten Nachteile weitgehend reduziert oder überwunden sind.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe zeichnet sich eine Wasserdampf-Kompressionswärmepumpe
durch die im Kennzeichen von Anspruch 1 aufgeführten Merkmale aus.
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Ein Merkmal der Erfindung besteht in der Verwendung mechanischer Kompressormittel
zum Zuführen des für die Entspannungsverdampfung (flash vaporization) benutzten
niedrigeren Drucks und des für das Kondensieren des Dampfes benutzten höheren Drucks.
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Ein anderes Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Kompressor-Wärmepumpe
ferner erste Zirkulationsmittel zum Zirkulieren des gesammelten Wassers zu einem
ersten Wärmeaustauschmittel aufweist, das zwischen die Wassersammelmittel und die
Wassersprühmittel geschaltet ist. Entsprechend einem weiteren Merkmal der Erfindung
kann die Kompressionswärmepumpe auch zweite Zirkulationsmittel zum Zirkulieren des
abgekühlten Wassers zwischen einem Auslaß von den Entspannungskammermitteln und
einem Einlaß zu den Entspannungskammermitteln durch zweite Wärmeaustauschmittel
aufweisen, die außerhalb der Wärmepumpe angeordnet sind und zum Absorbieren von
Wärme in das abgekühlte Wasser dienen.
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Ein anderes Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Kondensatorkammermittel
Wärmetauscherrohre zum Leiten des Wasserdampfes durch den Wassersprühnebel aufweisen.
Somit wird das Wasser auf die den Wasserdampf führenden Rohre gespritzt. Wegen der
Eigenschaften
von Wasser und Wasserdampf kann die Wärmeübertragung zwischen dem Spritzwasser und
dem Wasserdampf bewirkt werden, indem ein sehr viel kleinerer Rohrschlangenbereich
für den Wasserdampf und ein sehr viel preiswerteres Wärmeleitungsmaterial für die
Rohrschlange benutzt werden. Beispielsweise kann eine Aluminium-Rohrschlange anstelle
einer Kupfer-Rohrschlange oder einer solchen aus Edelstahllegierungen gut benutzt
werden.
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Außerdem ist zum Austauschen einer gegebenen Wärmemenge zwischen Wasser
und Wasserdampf eine sehr viel geringere Menge an Rohrleitung erforderlich, als
es für den Austausch derselben Wärmemenge beispielsweise zwischen Wasser und Freon
zutrifft.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist die Anwendung von hochvolumetrischen
mechanischen Kompressormitteln zum Bewegen des Wasserdampfes zu den Wärmetauscherrohrmitteln
sowie durch dieselben. In diesem Zusammenhang ist festzustellen, daß ein viel kleineres
Wärmetauscherrohrmittelnt erforderlich ist, wenn der Wärmeaustausch zwischen Wasserdampf
und Wasser stattfindet. Wie es dem Fachmann geläufig ist, ist hierdurch im Vergleich
zu f>ishei erhältlichen Wärmepumpen bei der hier beschriebenen neuen Wärniepumpe
ein sehr viel größerer Leistungsfähigkeitskoeffizient möglich. Somit besteht ein
Vorteil der hier beschriebenen Wärmepumpe darin, daß viel kleinere, weniger teure
Wärmeaustauscher benutzt werden können, die dennoch wirksamer als die bei bekannten
Wärmepumpen verwendeten Wärmeaustauscher sind.
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Eines der Merkmale der Erfindung besteht darin, daß ein erster direkter
Wärmeaustausch in der Entspannungskammer (flash chamber) angewendet wird. Das Wasser
der Entspannungskammer überträgt die latente Wärme wegen der Entspannungsverdampfung
des Wassers.
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Dieses ist ein direkter Wärmeaustausch, der keine Rohre und kein anderes
Fluid erforderlich macht. Ein derartiger direkter Wärmeaustausch ist äußerst wirksam.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird ein Kompressorpaar
in einem zweistufigen Betrieb für die Kompressormittel benutzt. Ein erster Kompressor
wird in einer ersten Kompressionskammer benutzt, und ein zweiter Kompressor wird
in einer zweiten
Kompressionskammer benutzt, wobei sich die ersten
und zweiten Kompressionskammern in einer Serienkonfiguration befinden.
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Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung ist eine Wärmepum#pe,
bei der der Wirkungsgrad noch weiter als zuvor erläutert vergrößert ist, und zwar
durch Anwendung einer Entspannungskammer mit zwei Räumen. Der Wasserdampf von einem
ersten Raum der Entspannungskammer wird von dem ersten Kompressor erstmalig komprimiert,
vorgekühlt und dann von dem zweiten Kompressor weiter komprimiert; der Wasserdampf
von dem zweiten Raum wird nur einmal, und zwar von dem zweiten Kompressor, komprimiert.
Beide Teile werden dann gleichzeitig für die Kondensation gekühlt.
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Durch diesen Aufbau kann der erste Kompressor relativ klein sein,
da er nur Wasserdampf von dem ersten Raum behandelt. Der zweite Kompressor isyauch
relativ klein, da sich ein Teil des behandelten Dampfes auf einem erhöhten Druck
befindet.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird von den kondensierten
Dämpfen ein Destillat erhalten.
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Nach einem anderen Merkmal der Erfindung wird der Wasserturm-Kühleffekt
in die Kondensatorkammermittel verlagert, wodurch der Energiewirkungsgrad weiter
verbessert wird, das heißt der Leistungsfähigkeitskoeffizient (COP) der Wärmepumpe.
(Der Leistungsfähigkeitskoeffizient bzw. Wirkungsgrad ist als die durch die Energiezufuhr
dividierte Wärmeenergieabgabe definiert).
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Die hier beschriebene Anlage hat einen größeren Leistungsfähigkeitskoeffizienten
als eine herkömmliche Anlage, da sie unter anderem den Energieverlust der herkömmlichen
Anlage bei dem Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittel, wie Freon, und dem im Betrieb
benutzten Fluid, beispielsweise Wasser, vermeidet.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Wärmepumpe benutzen drehzahlvariable
Antriebe für die Kompressoren, die Induzierleitschaufeln (inducer guide vanes) enthalten.
Die Kompressoren ähneln denjenigen, die in den israelischen Patenten 15991 und 18060
detaillierter beschrieben sind. Die Fähigkeit der Kompressormittel,
entsprechend
der Wärmepumpenerfordernisse (d. h. der Druckdifferenz, des 4 und der Kalorienzahl)
eingestellt zu werden, führt zu einer weiteren Vergrößerung des Leistungsfähigkeitskoeffizienten
der Wärmepumpe.
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Die Betriebsweise und die Anwendung der vorliegenden Erfindung werden
nachfolgend an zeichnerisch dargestellten bevorzugten Ausführungsformen näher erläutert.
Es zeigen: Figur 1 - in einer schematischen Darstellung das grundsätzliche Wärmepumpen-Flußdiagramm
bei einer Luftklimatisierungsanwendung, Figur 2 - ebenfalls in einer schematischen
Darstellung eine Verbesserung des grundsätzlichen Wärmepumpen-Flußdiagramms aus
Figur 1, Figur 3 - in einer schematischen Darstellung ein dem Grundsystem ähnelndes
System, wobei jedoch der Wasserturm-Wärmeaustauscher direkt in die Wärmepumpeneinheit
integriert ist, Figur 4 - einen Schnitt der Wärmepumpe aus Figur 3 längs der Linie
4-4 und in Blickrichtung der Pfeile und Figur 5 - ein Flußdiagramm der für Heizzwecke
benutzten Wärmepumpe.
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Die grundsätzliche Wärmepumpe ist in Figur 1 als Einheit 11 dargestellt
und enthält eine Verdampferkammer 12, die eine Entspannungskammer (flash chamber)
13 enthält. In der letzteren befindet sich Wasser 14, das Salzwasser oder Frischwasser
sein kann.
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Es sind ein Wasserzulauf 16 zu der Entspannungskammer und ein mit
einer Wasserpumpe 18 verbundener Wasserablauf 17 vorhanden.
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Die Wasserpumpe leitet abgekühltes Wasser aus der Entspannungskammer
der Wärmepumpe in einen in dieser Ausführungsform zu kühlenden Wärmeaustauscher
im Bereich 19. Die Wasserpumpe 18 ist mit dem Wärmeaustauscher 19 durch eine Rohrleitung
21 verbunden.
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Der Auslaß des Wärmeaustauschers des Bereichs 19 ist mit dem Wasserzulauf
16 durch eine Rohrleitung 22 verbunden.
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Bezüglich eines Beispiels der Temperaturen in einer bevorzugten
Ausführungsform
der zur Luftklimatisierung für Kühl zwecke benutzten Wärmepumpe ist festzustellen,
daß das von der Entspannungskammer kommende Wasser eine Temperatur von 80C hat,
während das von der Wärmeaustauscher-Einheit 19 in die Entspannungskammer gelangende
Wasser eine Temperatur von etwas mehr als 130C hat.
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Es sind Mittel vorgesehen, um den Druck des Wassers in der Entspannungskammer
abzusenken und hierdurch das Verdampfen des Wassers in der Entspannungskammer bei
niedrigen Temperaturen zu begünstigen. Im einzelnen sind Kompressormittel mit zwei
Kompressoren dargestellt, wobei ein erster Kompressor 23 über'ein Saugrohr 24 mit
der Verdampferkammer 12 verbunden ist. Der Kompressor 23 senkt den Druck in der
Verdampferkammer, um ein Verdampfen des Wassers in der Entspannungskammer bei der
Einlaßtemperatur zu ermöglichen.
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Der Kompressor ist in einer Kompressorkammer 26 dargestellt, in der
der Wasserdampf komprimiert und in einen ersten Satz von Wärmetauscherrohren 27
gedrängt wird. Es ist festzustellen, daß bei bekannten Wärmeaustauschern, bei denen
das Kühlmittel Freon, Ammoniak oder dergleichen ist, die Rohre aus teurem Material,
wie Kupfer oder Edelstahl, bestehen und eine sehr viel größere Oberfläche haben.
Wenn als Kühlmittel Wasser benutzt wird, können die Rohre aus preiswerterem Aluminium
bestehen und eine sehr viel kleinere Oberfläche haben.
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Der Ausstoß der Wärmetauscherrohre 27 ist gekühlter Wasserdampf, der
in das zweite Saugrohr 28 gesaugt wird. Der kleinere Druck in dem Saugrohr 28 wird
von einem zweiten Kompressor 29 in einer Kondensatorkammer oder zweiten Kompressor-
bzw. Kompressionskammer 31 erzeugt. Der über das Saugrohr 28 erhaltene gekühlte
Dampf wird weiter komprimiert und in einen zweiten Satz von Wärmetauscherrohren
32 gedrängt.
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Beide Sätze von Wärmetauscherrohren werden einem Wassersprühnebel
von Sprühmitteln, wie einer Mehrfachdüsenleitung 33, ausgesetzt. Das von der Leitung
33 gespritzte Wasser kommt von einer Rohrleitung 34, die den Ausgang eines Wärmeaustauschermittels,
wie
beispielsweise eines Kühlturms 36ldarstellt, das zum Entziehen von Wärme von dem
Wasser benutzt wird. Das von der Leitung 33 gesprühte Wasser bildet auf den Wärmetauscherrohren
32 und 27 einen Wasserfilm, der durch Wärme von dem Wasserdampf in dem Rohr erhitzt
wird. In dem ersten Satz von Rohren 27 wird der Wasserdampf lediglich durch das
Entziehen von Wärme vorgekühlt.
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In dem zweiten Satz von Rohren 32 wird der Wasserdampf durch das Entziehen
von Wärme kondensiert. Das kondensierte destillierte Wasser von den Rohren 32 gelangt
in eine Destillat-Kammer 37 und sammelt sich am Bodenbereich 38 derselben. Das Destillat
wird mittels einer Pumpe 39 abgepumpt, die über ein Rohr 41 mit dem Destillat-Tank
verbunden ist. Das abgepumpte Destillat in einer Auslaß-Rohrleitung 42 ist ein solches
mit einer Temperatur von etwa 270C. Das Destillat kann als reines Wasser benutzt
werden, oder der Destillat-Ausgang kann mit dem Eingang des Wasserturms verbunden
werden.
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Es ist festzustellen, daß ein direktes Erhitzen des Sprühwassers durchgeführt
werden kann. Der unter Druck gesetzte Wasserdampf wird ohne Rohrleitung durch Kondensatormittel
geleitet, wo er sich mit dem Wassersprühnebel direkt vermischt und diesen erhitzt.
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Der Hauptteil des gesprühten Wassers wird in einem Kompressionskammertank
43 gesammelt. Der Auslaß desselben ist über eine Rohrleitung 44 mit einer Kondensator-Wasserpumpe
46 verbunden, die das Wasser mit etwa 260C über eine Rohrleitung 47 zu dem Kühlturm
36 zurückleitet.
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Das von dem Kühlturm kommende Wasser hat eine Temperatur von 220C
Somit wird das Wasser von dem Kühlturm durch die Kondensationswärme des Wasserdampfes
in den Wärmetauscherrohren 32 und 27 erwärmt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
liegt die Strömungsrate des Wassers durch den Kühlturm-Zyklus in der Größenordnung
von etwa 360 Tonnen pro Stunde.
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Es sind Mittel zum Entfernen der nicht kondensierbaren Gase vorgesehen,
wie der in dem Wasser enthaltenen und in den Systemen
freigegebenen
Luft. Im einzelnen ist eine Vakuumpumpe 48 mit der Wärmepumpe über Rohre 49, 51
verbunden, die entsprechend zu der Destillatkammer und der Kompressionskammer verlaufen.
Die Rohre 49 und 51 sind zu einem gemeinsamen Rohr 52 verbunden. Der Ausgang der
Vakuumpumpe verläuft über ein Rohr 53 zu der Atmosphäre.
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Die Mittel zum Entfernen von nicht kondensierbarem Gas können eine
zweistufige Vakuumpumpe und Zwischenkondensatoren enthalten, die von dem gekühlten
Wasser der Entspannungskammer gekühlt werden.
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Es sind Mittel zum Abt filtern von Wassertröpfchen aus dem Wasserdampf
vorgesehen. Im einzelnen ist ein Mitreiß- (carry over) oder Wassertröpfchen-Abscheider
56 in der Verdampferkammer dargestellt.
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Es ist festzustellen, daß das Kühlen des Wassers in der Entspannungskammer
durch das in dieser stattfindende Verdampfen begründet wird. Bei der bevorzugten
Ausführungsform aus Figur 1 wurde das gekühlte Wasser der Entspannungskammer bei
13,20C zugeführt und hiervon bei 80C abgesaugt. Die Temperaturdifferenz wurde durch
die für die Verdampfungsvorgänge benutzte Wärme begründet.
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Das abgekühlte Wasser von der Entspannungskammer wird für Kühlzwecke
benutzt. Der Wärmeaustausch in der Entspannungskammer ist direkt. Er findet nicht
zwischen einem Kühlmittel und dem Wasserüber Rohre statt.
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Das den Kühlturm in der Ausführungsform aus Figur 1 durchlaufende
Wasser unterliegt einer Temperaturdifferenz von beispielsweise 40C, wobe4das den
Wärmeaustauscher 19 durchlaufende Wasser beispielsweise eine Temperaturdifferenz
von 40C sammelt. Die Entspannungskammer aus Figur 1 sorgt für ein A T von etwa 5,2°C.
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Wenn ein größeres A T erforderlich ist, beispielsweise wenn das der
Entspannungskammer zugeführte Wasser eine höhere Temperatur hat, dann wird das in
Figur 2 dargestellte System benutzt. Hierbei enthält ein System 61 Verdampfermittel
62. Diese weisen jedoch ein Paar von Verdampferkammern 63 und 64 auf, die mittels
einer Quer- oder Zwischenwand 66 getrennt sind. Jede der Verdampferkammern hat ihre
eigene Entspannungskammer, wie die der Verdampferkammer 63 zugeordnete Entspannungskammer
67 und die der
Verdampferkammer 64 zugeordnete Entspannungskammer
68. Das Wasser 69 in den Entspannungskammern ist trotz der teilweisen Trennung durch
die Zwischenwand 66 beiden Kammern gemeinsam.
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Der Wassereinlaß 71 hat bei einer bevorzugten Ausführungsform eine
Temperatur von etwa 280C. Der Wasserauslaß 72 für abgekühltes Wasser von der Entspannungskammer
2 hat eine Temperatur von etwa 13°C. Somit besteht bei der Verwendung zweier Entspannungskammern
eine Temperaturdifferenz von 15°C.
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Eine Seite der Verdampferkammer 64 ist über ein erstes Saugrohr 74
an einen Kompressor 73 angekoppelt. Das durch diesen erzeugte Vakuum oder ein entsprechender
Unterdruck ermöglicht das Verdampfen des Wassers 69 in der Entspannungskammer 68,
und die Dämpfe gelangen zu einer Kompressorkammer 76. Die Dämpfe werden komprimiert
und in einen ersten Satz von Wärmetauscherrohren 77 gedrängt, durch die sie in die
Verdampferkammer 63 gelangen, wo sie mit Dämpfen von der Entspannungskammer 67 vereint
werden, die von einem zweiten Kompressor 74 in ein zweites Saugrohr 78 gesaugt werden.
Der Kompressor drängt den Dampf in einen zweiten Satz von Wärmetauscherrohren 81
der Kondensator-Kammer 79.
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Über dem zweiten Satz von Wärmetauscherrohren befinden sich Sprühmittel,
die in Form einer Mehrfachdüsenleitung 82 dargestellt sind und die einen Sprühnebel
von Wasser ausstoßen, das über eine Rohrleitung 83 von einem Kühlturm 84 erhalten
wurde.
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Das Wasser von dem Kühlturm tritt bei einer bevorzugten Ausführungsform
mit einer Strömungsrate bzw. -geschwindigkeit von etwa 86 Tonnen pro Stunde und
mit einer Temperatur von etwa 280C in die Düsenleitung ein. Das ausgespritzte Wasser
bildet über den Rohren 81 und 77 einen Film, der durch die Kondensationswärme des
Dampfes in den Wärmetauscherrohren 81 und 77 erwärmt wird. Das Wasser des Sprühnebels
erhält eine Temperaturerhöhung von etwa 40C. Der Hauptteil des Wassers von dem Kühlturm
wird nach dem Sprühvorgang in dem Wassersammelabschnitt der Kondensator-Kammer 86
gesammelt. Das Wasser wird dann mittels einer Kondensator-Pumpe 88 über Rohrleitungen
89 und 91 zu dem Kühlturm 84 gepumpt. Das Wasser wird der Kondensator-Kammer bei
etwa 320C entnommen.
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Bei der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform wird ein bei 92 dargestellter
großer Bereich gekühlt. Das den gekühlten Abschnitt 92 durchlaufende Wasser tritt
mit 40C ein und tritt mit 400C aus diesem Abschnitt. Somit befindet sich das zu
dem Wasserkühlmit tel, wie dem Wasserturm 84, gelangende Wasser in der Rohrleitung
91 auf einer Temperatur von 400C. In dem Wasserturm 84 befindet sich gemäß Darstellung
ein Kühlturm-Filter 93.
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Der Kaltwasser-Einlaß zu dem Bereich 92 ist als Rohrleitung 94 dargestellt,
die von einer herkömmlichen Kühleinheit 96 kommt, welche als Kühlmittel beispielsweise
Freon benutzt. Der Kondensator der herkömmlichen Kühleinheit 96 ist über eine Rohrleitung
97 mit der Rohrleitung 91 verbunden.
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Der Ausstoß des Wasserturms 84 gelangt über die Rohrleitung 98, die
mit der Rohrleitung 83 verbunden ist, welche zu der Sprüheinheit der Wärmepumpe
61 führt. Die Rohrleitung 98 ist über die Rohrleitung 71 mit dem Einlaß der Entspannungskammern
der Wärmepumpe und auch über die Rohrleitung 99 mit dem Kondensator der herkömmlichen
Kühleinheit verbunden, wo ein Erhitzen erfolgt.
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Das gekühlte auslaßseitige Wasser der Entspannungskammern wird mittels
einer Pumpe 101 mit einer Strömungsrate von etwa 86 Tonnen pro Stunde über eine
Rohrleitung 102 zu der Verdampfereinheit der Kühleinheit 96 geleitet, wo es weiter
abgekühlt wird.
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In der Wärmepumpe 61 ist eine Destillat-Kammer 103 zum Sammeln des
Destillats am Auslaß der Wärmetauscherrohre 81 vorgesehen.
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Der Auslaß der Destillat-Kammer 104 ist über eine Pumpe 106 mit einem
Auslaß 107 verbunden. Das Destillat kann als Quelle für reines Wasser benutzt oder
in die zu dem Kühlturm 84 verlaufende Rohrleitung 91 gepumpt werden.
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Es sind Mittel vorgesehen, um die durch den Prozeß erzeugten nicht
kondensierbaren Gase zu entfernen. Im einzelnen ist ein Vakuumpumpensystem 108 gemäß
Darstellung über eine Rohrleitung 109 mit einer an die Kondensator-Kammer angeschlossen
Rohrleitung 114 und einer an die Destillat-Kammer angeschlossenen Rohrleitung
110
verbunden.
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Somit benutzt die Wärmepumpe 61 aus Figur 2 ebenfalls einen zweistufigen
Kompressoraufbau, und aber zusätzlich zwei separate Verdampferkammern, die jeweils
ihre eigenen individuellen Entspannungskammern haben und jeweils Mitreiß-Abscheider
(carry over separators) 111 und 111a benutzen. Durch die Verwendung der beiden Entspannungskammern
ist bei der dargestellten Konfiguration eine wirksamere Ausnutzung der Kompressormittel
möglich. Der erste Kompressor muß nur den Dampf der einen Entspannungskammer handhaben
und komprimieren, während der andere Kompressor den Dampf von beiden Entspannungskammern
behandeln muß, wobei jedoch ein großer Teil des Dampfes bereits vom ersten Kompressor
unter Druck gesetzt worden ist.
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Die Konfiguration der Wärmepumpe 121 aus den Figuren 3 und 4 führt
zu einem noch wirkungsvolleren Betrieb als die zuvor beschriebenen Wärmepumpen.
Die Wärmepumpe 121 eliminiert die Notwendigkeit eines Wasserturms zum Kühlen. Das
normalerweise durch den Wasserturm erzielte Kühlen wird direkt in der Wärmepumpe
121 bewerkstelligt.
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Die Wärmepumpe 121 enthält eine Verdampfer-Kammer 122, mit der eine
Entspannungskammer (flash chamber) 123 zusammenhängend ausgebildet ist. Die letztere
arbeitet bei einem durch einen ersten Kompressor 124 erzeugten niedrigeren Druck
bzw. Unterdruck, der den Wasserdampf durch ein erstes Unterdruck- oder Saugrohr
126 in eine Kompressionskammer 127 saugt. Der Wasserdampf wird in der Kompressionskammer
komprimiert und zum Vorkühlen in einen ersten Satz von Wärmetauscherrohren 128 geleitet.
Der aus den Wärmetauscherrohren 128 kommende Dampf wird mittels eines zweiten Kompressors
131 durch ein zweites Unterdruck- oder Saugrohr 129 in eine zweite Kompressions-
oder Kondensator-Kammer 132 gesaugt. In dieser wird der vorgekühlte und unter Druck
gesetzte Wasserdampf in einen zweiten Satz von Wärmetauscherrohren 133 geleitet.
Der Wasserdampf in den Rohren wird mittels eines Wassersprühnebels aus Wassersprühmitteln,
wie sie durch Mehrfachdüsenleitungen 134 dargestellt sind, zum Kondensieren veranlaßt.
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Die Leitungen sorgen für ein Leiten bzw. Richten des Wassersprühnebels.
Das Wasser wird über ein Rohr 136 zugeführt, welches mittels einer Zirkulationspumpe
137 unter Druck gesetzt ist, welche Wasser von einem Rohr 138 empfängt, das mit
einem Rohr 139 am Auslaß der Kondensator-Kammer 141 verbunden ist. Die letztere
-empfängt #Üas Sprühnebel-Wasser, das nicht während der Kondensation des #Was-se-rdampfes-
in den Rohren verdampft ist.
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Es ist festzustellen, daß über einen Ersatzwassereinlaß 142 in der
üblichen Weise Ersatzwasser zugeführt wird. Dieses --ersetzt das~j-enige -Wasser,
-da-s- verdampft, wenn der Wassersprühnebel einen Film auch den Wärmetauscherrohren
-bildet und --die -latente- Wärme -b-eim Kondens#eren des- Wasserdampfes entfernt.--D#er-£kondensierende
Wasserdampf wird in einer Destillat-Kammer 143 gesamm#e#t. Es wird von dem Dest-illatkammer-Ausl-aß
144 mitterms einer -Pumpe 1--47 -üb--er -ein Rohr- 146 zu einem Destillat-Pumpenausia-ß--
148 gesaugt. Das reine destillierte Wasser kann sepa--rat-als- e-in Nebenprodukt
oder als das Ersatzwasser in dem Sprühnebel-Zi-rkulationssystem benutzt werden.
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Das tatsächliche Kühlsystem arbeitet von dem Wasser der Entspannungskammer.
Der Wassereinlaß zu der Entspannungskammer ist bei 149 dargestellt, wobei das Wasser
mit 151 bezeichnet ist. Das Wasser an dem Einlaßrohr 149 hat eine Temperatur von
180C und wird von dem gekühlten Abschnitt erhalten, der als Wärmeaustauschbereich
152 dargestellt ist. Das Wasser von der Entspannungskammer gelangt durch einen Auslaß
153, eine Pumpe 15#4 für abgekühltes Wasser und über eine Rohrleitung 156 zu dem
gekühlten Abschnitt.
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Es ist festzustellen, daß auch Wasser zu dem Entspannungskammer-Wassersystem
zugefügt werden kann. Das Wasser wird allgemein nahe dem Einlaß 149 zugesetzt. Unmittelbar
vor dem Zusetzen von frischem oder neuem Wasser wird durch einen Rückblasauslaß
(blow back outlet) salziges Wasser von dem System entfernt, gewöhnlich in einem
Verhältnis von etwa 2:1. Somit wird die doppelte Menge an neuem Wasser zugesetzt,
wenn ein Entfernen durch das Rückblasen
(blow back) erfolgt. Dieses
verhindert ein Ansammeln des Salzgehalts in dem Wasser 151 der Entspannungskammer.
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Die Ausgangstemperatur von der Entspannungskammer beträgt etwa 80C,
so daß eine Temperaturdifferenz von 100 vorliegt, die benutzt wird, um von dem Wärmeaustauschbereich
152 Wärme abzuziehen. Der Strom durch den Abschnitt 152 beträgt etwa 185 Tonnen
pro Stunde bei einer bevorzugten Ausführungsform.
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Das System ist äußerst wirkungsvoll, da bei Wegfall des Wasserturms
unter anderem die Wärmeübertragung direkt in der Wärmepumpe selbst erfolgt. Die
normalerweise in dem Wasserturm erfolgende Wärmeübertragung wird in der Wärmepumpe
121 mittels eines Luftgebläses 157 bewerkstelligt, das über einen Lufteinlaß 158
Luft ansaugt. Diese Luft verläuft durch die Wärmetauscherrohre und entfernt Kondensator-Wärme
unter Ausnutzung des Kühlturmeffekts. Die Wärmetauscherrohre 128 sind in Figur 4
so dargestellt, daß sie sich an beiden Seiten der Verdampfer-Kammer 122 befinden,
während die Wärmetauscherrohre 133 über der Verdampfet-Kammer 122 und an beiden
Seiten derselben dargestellt sind. Es ist festzustellen, daß die Positionen der
Rohre 128 und 133 im Rahmen der Erfindung und so weit geändert werden können, daß
sich die Rohre 128 über den Rohren 133 befinden.
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Die Sprühnebel-Leitungen 134 sind in Figur 4 als Serie von Rohren
dargestellt. Ein Wassertropfen-Abscheider 159 trennt die Entspannungskammer 123
von dem Saugrohr 126. Das normalerweise durch den Wasserturm bewirkte Kühlen erfolgt
in diesem Fall direkt in der Wärmepumpe, was den thermodynamischen Wirkungsgrad
(COP) der Wärmepumpe vergrößert, indem das b T eliminiert wird, welches erforderlich
ist, um die Wärme durch einen Wasserstrom von der Wärmepumpe zu einem separaten
Kühlturm zu tragen.
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Figur 5 zeigt eine Wärmepumpe 161 in ihrer Anwendung für Heizzwecke.
Beispielsweise kann der Wärmeaustauschbereich 162 eine Fläche von 20.000 Ouadratmetern
von Gewächshäusern beinhalten.
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Die Wärmepumpe 161 enthält eine Verdampfer-Kammer 163 und eine Entspannungskammer
164 mit darin befindlichem Wasser 166. Das
verdampfte Wasser wird
mittels eines Kompressors 168 durch ein Saugrohr 1.67 in eine Kompressionskammer
169 gesaugt. In dieser wird der Wasserdampf unter Druck gesetzt und hiervon zum
Vorkühlen durch Wärmetauscherrohre 171 gedrückt. Der vorgekühlte und unter Druck
gesetzte Dampf verläßt die Wärmetauscherrohre 171 über ein zweites Saugrohr 172.
Das Vakuum bzw. der Unterdruck im Rohr 172 wird durch einen Kompressor 173 erzeugt,
der den vorgekühlten, unter Druck gesetzten Dampf zu einer Kondensator-Kammer 174
bringt, aus der der unter Druck gesetzte Dampf wiederum zur Kondensation in einen
zweiten Satz von Wärmetauscherrohren 176 gedrückt wird. Wasser-Sprühmittel 177,
wie Mehrfachdüsenleitungen, sorgen für ein Aufsprühen von Wasser auf die Rohre,
um-den Dampf in den Rohren zu kondensieren. Der in den Rohren kondensierte Dampf
wird in einer. Destillat-Kammer 178 als Destillatwasser-Nebenprodukt gesammelt.
Das destillierte Wasser kann mittels einer Destillat-Pumpe 179 durch eine Destillat-Rohrleitung
181 gepumpt oder in dem System benutzt werden.
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Das Wasser der Entspannungskammer wird von einer natürlichen oder
künstlichen Wasserquelle abgesaugt, die als Wasserquelle 182 dargestellt ist und
beispielsweise eine Temperatur von 150 hat. Das aus der Entspannungskammer kommende
Wasser wird mittels einer Entspannungskammer-Wasserpumpe 183 durch eine Rohrleitung
184 in die Wasserquelle 182 zurückgepumpt. Das Wasser gelangt von der Quelle durch
eine Rohrleitung 186 in die Entspannungskammer. Während das in die Entspannungskammer
strömende Wasser bei 150 liegt, hat das die Entspannungskammer verlassende Wasser
100. Die Strömungsrate oder -geschwindigkeit des Wassers der Entspannungskammer
in der Rohrleitung beträgt etwa 360 Kubikmeter pro Stunde bei der dargestellten
Ausführungsform.
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Das Sprühnebel-Wasser wird in einem Kondensatorkammer-Tank 187 gesammelt.
Von dort gelangt es durch eine Rohrleitung 188 zu einer Wasserpumpe 189, von wo
es über eine Rohrleitung 191 und allgemein mit 192 bezeichnete Verteilerauslässe
in den Wärmeaustauschbereich 162 (die Gewächshäuser) gepumpt wird. Das Wasser wird
dann über eine Rohrleitung 193 zu den Sprühmitteln geleitet. Das zu dem Wärmeaustauschbereich
162 gelangende Wasser
hat eine Temperatur von 300, und es kommt
mit 200C zurück. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden 200 Kubikmeter pro
Stunde durch den Wärmeaustauschbereich gepumpt, in dem eine Temperaturdifferenz
von 100 vorliegt. Das gekühlte Wasser nimmt diese Temperaturdifferenz von 100C durch
Wärmeübertragung auf, und zwar über die Wärmetauschermittel beim Kondensieren des
Wasserdampfes, wobei die latente Wärme übernommen wird.
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Vorzugsweise wird das Wasser aus einem Bereich nahe dem Boden der
Quelle entnommen, so daß es weniger von den Umgebungstemperaturen beeinflußt wird.
Die in Figur 5 dargestellte Einheit liefert 2 x 106 Kilokalorien pro Stunde mittels
der Wärmepumpe, die einen Leistungsfähigkeitskoeffizienten von 10 für die 20.000
Quadratmeter der Gewächshausbeheizung hat. Die bekannten Wärmepumpen, welche sekundäre
Kühlmittel und einen indirekten Wärmeaustausch haben, haben Leistungsfähigkeitskoeffizienten,
die bestenfalls 3,5 bis 4,5 betragen. Der Leistungsfähigkeitskoeffizient der herkömmlichen
Wärmepumpen kann durch Verwenden sehr großer Wärmeaustauscher vergrößert werden,
wobei jedoch der für eine solche Anlage erforderliche Kapitalaufwand zu einer Unwirtschaftlichkeit
führt.
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Im Betrieb entfernt die erfindungsgemäße Wärmepumpe Wärme von einem
mit der Entspannungskammer-Flüssigkeit verbundenen Wärmeaustauschbereich, um Wärme
einem Wärmeaustauschbereich zuzuführen, der mit der gesammelten Flüssigkeit des
Wassersprühnebels verbunden ist. Das für den Sprühnebel benutzte Wasser sammelt
Wärme von dem Wasserdampf. Das Wasser der Entspannungskammer verliert infolge der
Verdampfung Wärme. Es liegt eine sehr wirkungsvolle Wärmepumpe vor, die Wasser als
Kühlmittel benutzt.
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Zu den Vorteilen der hier beschriebenen Wärmepumpen gehört die Verwendung
von Wasser als das Kühlmittel. Wasser ist ein preiswertes Kühlmittel, das erforderlichenfalls
leicht ersetzbar ist.
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Somit werden kostspielige Kühlmittel eliminiert.
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Es ist festzustellen, daß viele Arten von Kompressoren benutzt werden
können; in einer bevorzugten Ausführungsform haben sich Kompressoren desjenigen
Typs als ideal herausgestellt, der in
den zuvor erwähnten israelischen
Patenten beschrieben wurde.
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Während die Prinzipien der Erfindung in Verbindung mit spezifischen
Vorrichtungen und Anwendungen erläutert wurden, ist festzustellen, daß die vorliegende
Beschreibung lediglich beispielhaft ist und die Erfindung in keiner Weise beschränken
soll.