EP0184181A2

EP0184181A2 - Wärmepumpe

Info

Publication number: EP0184181A2
Application number: EP85115297A
Authority: EP
Inventors: Arpád Dr. Bakay; György Bergmann; Géza Hivessy; Istvan Dr. Szentgyörgyi
Original assignee: Energiagazdalkodasi Intezet
Current assignee: Energiagazdalkodasi Intezet
Priority date: 1984-12-03
Filing date: 1985-12-03
Publication date: 1986-06-11
Anticipated expiration: 2005-12-03
Also published as: ATE57763T1; NO164738C; EP0184181B1; US4688397A; EP0184181A3; DE3580249D1; DK161482C; NO164738B; NO854845L; DK553885A; HUT41526A; CA1262057A; HU198328B; DK553885D0; JPS61180861A; DK161482B

Abstract

Wärmepumpe mit einem oder mehreren Verdichtern (3), Verdampfern (6), Kondensatoren (4) und druckreduzierenden Elementen (5, 8) sowie diese Einheiten verbindenden Rohrleitungen, wobei das Arbeitsmedium der Wärmepumpe zur Gewährleistung einer Kondensation bzw. einer Verdampfung bei veränderlicher Temperatur aus einer Mischung von ineinander gut lösbaren Medien mit unterschiedlichen Siedepunkten besteht. Zur Annäherung an einen optimalen Leistungsfaktor ist der Verdichter (3) als mehrere Saug- und/oder Druckstutzen aufweisende Einheit ausgebildet, deren Stutzen mehrere Druckstufen (p1, p2, p3, p4, p5) zum gleichzeitigen Ansaugen bei mehr als einem Druckniveau und/oder zur Lieferung auf mehr als ein Druckniveau bilden, wobei die Druckstufenanzahl des Verdampfers (6) gleich der Anzahl der saugseitigen Druckniveaus, und die Druckstufenanzahl der Kondensatoren (4) gleich der Anzahl der druckseitigen Druckniveaus ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe, deren Arbeitsmedium aus der Mischung von ineinander gut lösbaren Medien mit unterschiedlichen Siedepunkten besteht und in welcher die Kondensation und die Verdampfung bei einer sich verändernden Temperatur vor sich geht, mit einem oder mehreren Verdichtern, Verdampfern, Kondensatoren und druckreduzierenden Elementen sowie diese Einheiten verbindenden Rohrleitungen.
Die Anwendungsmöglichkeiten der Wärmepumpen und die Verbesserungs- möglichkeiten ihres Leistungsfaktors werden weltweit erforscht und untersucht.
Mit den zur Zeit verwendeten Wärmepumpen versucht man am meisten sich dem sogenannten Carnot-Prozess anzunähern, der einen isothermischen Wärmeentzug und eine isothermische Wärmeabgabe mit zwei isentropischen Zustandsänderungen verbindet.
Es ist bekannt, daß zwischen Wärmespeichern konstanter Temperatur der CarnotProzess den theoretisch optimalen Wärmepumpen-Kreisprozess darstellt. In der technischen Praxis erfüllt jedoch eine Wärmequelle (zB. ein großer Fluß oder See bzw. die Luft) nur selten und der Wärmeverbraucher überhaupt nicht die Bedingung, ein unendlich großer (d.h. isothermisch zu betrachterder) Wärmespeicher zu sein. Die energetisch günstigeren Voraussetzungen (Abfallwärme, Thermalwasser usw.) schließen praktisch diese Möglichkeit bei der Wärmequelle ebenfalls aus.
Wenn man also nach wirtschaftlichen Möglichkeiten für die Wärmepumpe sucht, muß man damit rechnen, daß die Wärme einem sich dabei wesentlich abkühlenden Medium entzogen und auch einem sich dabei wesentlich erwärmenden Medium abgegeben wird. In solchen Fällen ist es zweckmäßig, einen Kreisprozess mit veränderlichem Temperaturablauf anzuwenden, weil dieser zwischen den gleichen Temperaturgrenzen einen günstigeren Leistungsfaktor zur Folge hat, als der Carnot-Prozess. Der Grund dafür liegt darin, daß bei dem Kreisprozess mit veränderlichem Temperaturablauf, der sowohl der Wärmequelle als auch dem Wärmeverbraucher angepaßt ist, außerdem ein geringerer äußerer Fnergieeinsatz benötigt wird als bei dem anderen Kreisprozess mit isothermischem Wärmeentzug.
Zur Erläuterung der vorstehenden Aussagen dien; Fig. 1, die diese Kreisprozesse in einem T-S (Temperatur-Entropie) Diagramm darstellt. Als Wärmequelle ist das mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnete Medium zu betrachten, das von einer Temperatur T₂' auf eine Temperatur T₂" abgekühlt werden kann. Die Aufgabe der Wärmepumpe besteht darin, das mit 1 bezeichnete Medium von einer Temperatur T₁' auf eine Temperatur T₁" aufzuwärmen. Diese Zustandsänderungen der beiden Medien sind durch kontinuierliche Linien dargestellt.
Wenn diese Aufgabe des Wärmepumpens durch einen einzigen Carnot-Prozess gelöst werden soll, dann ergib sich der günstigste Leistungsfaktor (der nur im Falle von unendlich großen Wärineaustauschflächen erreicht werden könnte) aus dem mit der gestrichelten Linie bezeichneten Kreisprozess 4BCD. Auf der Strecke AB erfolgt eine isothermische Wärmeaufnahme (Verdampfung), auf der Strecke BC eine isentropische Kompression, auf der Strecke CD eine isothermische Wärmeabgabe (Kondensation), und auf der Strecke DA eine isentropische Expansion.
Aus der Thermodynamik ist es bekannt, daß für den durch den Kreisprozess aus der wärmequelle aufgenommenen Wärmestrom Q₂ die Fläche unter der Strecke AB kenzeichnend ist, für den an den Wärmeverbraucher abgegebenen Wärmestrom Q₁ die Fläche unter der Strecke CD, und für die eingesetzte mechanische Arbeit P die Differenz der beiden Flächen, d.h. die durch den Kreisprozess umschlossene Fläche (P=Q₁-Q₂). Dabei kann der Leistungsfaktor der Wärmepumpe, also der Quotient aus der Nutzwärme und der eingesetzten mechanischen Arbeit folgendermaßen ausgedrückt werden:
Der Leistungsfaktor kann erhöht werden, wenn die notwendige mechanische Arbeit, d.h. die durch den Kreisprozess umschlossene Fläche reduziert werden kann. Im Falle eines einzigen Carnot-Prozesses ist das aber nicht möglich, weil die aus dem Medium 2 gewinnbare Wärme selbst im Falle einer unendlich großen Wärmeaustauschfläche von der tiefsten Temperatur T₂" der Wärmequelle auf die höchste Temperatur T₁" des wärmeaufnehmenden Mediums 1 gefördert werden muß. Bei endlich großen Wärmeaustasuchflächen ist die Temperatur der Verdampfung niedriger als T₂" und die Temperatur der Kondensation ist höher als T₁", so daß eine noch größere Temperaturstufe überbrückt werden muß, also eine noch größere mechanische Arbeit erforderlich ist. Im Interesse der besseren Verständlichkeit dieser Überlegungen werden jedoch vorläufig bei idealer (also isentropischer) Kompression und Expansion unendlich große Wärmeaustauschflächen vorausgesetzt.
Der theoretisch optimale Wärmepumpen-Kreisprozess wäre eigentlich der durch die strickpunktierte Linie dargestelle Kreisprozess, der sich vollkommen an die Kurve des Temperaturverlaufs des wärmeabgebenden Mediums anschmiegt. In diesem Kreisprozess AECF geht auf der Strecke AE eine Wärmeaufnahme mit veränderlicher Temperatur, auf der Strecke EC eine isentropische Kompression, auf der Strecke CF eine Wärmeabgabe mit veränderlicher Temperatur und auf der Strecke FA eine isentropische Expansion vor sich.
Auf der Strecke AE des Kreisprozesses kann das Arbeitsmedium nur dann eine Wärmemenge aus dem Medium 2 aufnehmen, wenn seine Temperatur niedriger ist, als die des letzteren, also die Kurvenstrecke AE unter der Kurve des Mediums 2 verläuft. Wenn aber die Wärmekapazität der beiden Medien gleich und die Wärmeaustauschfläche unendlich groß ist, dann geht die zur Wärmeübertragung notwendige Temperaturdiffere z auf einen un-
endlich niedriqen Wert zurück, d.h. die Kurvenstrecke AE schmiegt sich an die Kurve des Mediums 2 an. In ähnlicher Weise ist es einzusehen, daß sich unter den erwähnten theoretischen Bedingungen die Strecke CF des Kreisprozesses von oben an die Kurve des Mediums 1 anschmiegt.
Nachdem beim Kreisprozess die wärmeabgebende Strecke des Arbeitsmediums nicht unter die Kurve des Mediums 1 gelangen kann, weil diesem dann keine Wärme übertragen werden könnte und auch die wärmeaufnehmende Strecke nicht über der Kurve des Mediums 2 liegen kann, weil von diesem dann keine Wärme übernommen werden könnte, kann eingesehen werden, daß für Wärmepumpen in diesem Fall der mit strichpunktierten Linie bezeichnete Kreisprozess AECF den theoretisch optimalen Kreisprozess darstellt.
Es kann aufgrund der Fig. 1 auch leicht eingesehen werden, daß unter Voraussetzung von gleichen Temperaturen im Kreisprozess AECF mit veränderlicher Temperatur die entzogene Wärmemenge Q₂ größer ist, als im Kreisprozess ABCD, d.h. die unter der Kurvenstrecke AE liegende Fläche größer ist, als die unter der Strecke AB liegende Fläche, während die von diesem Kreisprozess umschlossene Fläche, d.h. die notwendige mechanische Arbeit P kleiner ist. Es folgt daraus aufgrund der schon erwähnten Formel, daß der Kreisprozess AECF einen größeren Leistungsfaktor ε hat, als der Kreisprozess ABCD. Dies ist ja eine logische Folge, nachdem es schon nachgewiesen wurde, daß der Kreisprozess AECF ir diesem Falle der theoretisch optimale Kreispro ess ist.
In deraktuellen technischen Praxis wird in den zur Wärmeübertragung dienenden Einheiten (Verdampfer, Kondensator) der herkömmlichen Wärmepumpen (mit Verdichter versehene oder Absorptionswärmepumpen) immer ein Arbeitsmedium aus einer einzigen Komponente eingesetzt, wodurch die Verdampfung und die Kondensation immer auf konstanter Temperatur ablaufen, also die tatsächlichen Kreisprozesse im bestimmten Maße dem in Fig. 1 mit gestrichelter linien bezeichneten Kreisprozesses entsprechen.
Selbstverständlich kann der Leistungsfaktor auch bei solcher Wärmepumpen, deren Arbeitsmedium nur eine Komponente enthält, verbesssert werden; dazu sind aber mehrer Stufen erforderlich. In Fig. 2 wird der theoretische Arbeitsgang einer Drei-Stufen-Wärmepumpe auf einem T-S-Diagramm dargestellt. Die Abkühlung des Mediums 2 und die Erwärmung des Mediums 1 sind hier durch kontinuierliche Linien bezeichnet. Aus dieser Figur ist es gut ersichtlich, daß die Arbeitsfläche der durch gestrichelte l inien dargestellten drei Stufen (die gemeinsame Fläche der Kreisprozesse AX'Y'Z', W"X"Y"Z" und W"'X"'CZ"') kleiner ist, als die des einstufigen Kreisprozesses ABCD und wesentlich besser als der letztere an den theoretisch optimalen Kreisprozess AECF herankommt.
Im Prinzip kann ein unendlich vielstufiger Carnot-Prozess an den Kreisprozess AECF vollkommen herankommen, aber es können auch schon einige Stufen zu einem sehr guten Ergebnis führen. Dies ist also ein geeiynetes Mittel zur Verbesserung des Le stungsfaktors. Ein Nachteil dieser Lösung mit mehreren Stufen besteht jedoch darin, daß sie die Schaltung der Maschine sehr kompliziert macht und auch die Anzahl der benötigten Elemente wesentlich erhöht, wodurch einerseits die Einrichtung aufwendiger wird und andererseits auch die Anzahl der Fehlermöglichkeiten zunimmt, also die Betriebssicherheit vermindert wird.
Aus diesem Grunde haben viele Forscher andere Wege eingeschlagen. Man hat versucht, solche Wärmepumpen auszuarbeiten, bei denen in den Wärmeaustauschern ein veränderlicher Ten.ptraturablauf verwirklicht wird. Dies wird dadurch erreicht, daß als Arbeitsmedium des Wärmepumpen-Kreisprozesses ineinander gut lösbare Medien mit untersc eidlichen Siedepunkten (zB: die Mischung von Ammoniak und Wasser) verwendet wird.
Ein Kreisprozess mit einer Wärmeübertragung veränderlichen Temperaturablaufs wird von den bisher bekannten technischen Lösungen durch die in der EP-B 0 021 205 beschriebene sogenannte hybride Wärmepumpe am günstigsten verwirklicht. Die in Fig. 3 dargestellte Schaltung der hybriden Wärmepumpe erinnert an die herkömmlichen Wärmepumpen mit Verdichter, unterscheidet sich von diesen derin, daß im ganzen Kreisprozess ein Arbeitsmedium aus zwei ineinander gut lösbaren Komponenten umgewälzt wird. In dem Niederdruck-Verdampfer 6 (Entgaser) dieser Wärmepumpe verdampft das Medienpaar nicht vollste dig. sondern es tritt eine Mischung aus einem Dampf, der reich am Medium mit niedrigem Siedepunkt ist, und aus einer Flüssigkeit, die arm am Medium mit dem niedrigen Siedepunkt ist, aus, und diese Mischung tritt in den Verdichter 3 ein. Der Verdichter überführt dieses zweiphasige Arbeitsmedium aus zwei Komponenten in Form einer sogenannten "nassen Kompression" auf ein höheres Druckniveau. Von hier gelangen der Dampf und die flüssige Phase in einen Kondensator (Absorber) 4, wo der am Medium mit niedrigerem Siedepunkt reiche Dampf kondensiert und sich allmählich in der mitströmenden Flüssigkeitsphase auflöst. Das Arbeitsmedium gelangt über ein Expansionsventil 5 in den Verdampfer (Entgaser) 6 zurück. Mit Hilfe eines inneren Wärmeaustauschers 7 kann der Leistungsfaktor des Kreisprozesses verbessert werden.
Der tatsächliche Ablauf des obigen Kreisprozesses wird in einem T-S-Diagramm durch die Fig. 4 dargestellt. Die die einzelnen Zustände bezeichnenden Buchstaben stimmen mit den Bezeichnungen der Fig. 3 überein. Einfachheitshalber wird auf die Darstellung des inneren Wärmeaustauschers verzichtet, und es wird eine isentropische Expansion bzw. Kompression angenommen.
Fig. 5 zeigt den theoretischen Kreisprozess einer solchen hybriden Wärmepumpe in einem T-S- Diagramm im Falle eines Arbeitsmediums gegebener Konzöntration, wobei dieser Kreisprozess aus einer Wärmeaufnahme mit veränoerlicher Temperatur (Verdampfung und Entgasung bei konstantem Druck p₂ auf der Strecke AB), einer isentropischen Kompression (die Strecke BC), einer Wärmeabgabe mit veränderlicher Temperatur (Kondensation und Inlösunggehen bei konstantem Druck P₁ auf der Strecke CD) und einer isentropischen Expansion (die Strecke DA) besteht.
Die Temperaturänderung des Arbeitsmediums beträgt im Verdampfer (Strecke AB)^Δ T₂ und im Kondensator (Strecke CD)ΔT₁. Diese beiden Werte sind beinahe gleich. Das ergibt sich aus derjenigen Eigenheit der aus zwei Komponenten (aus einer 1 ösung) bestehenden Arbeitsmedien, daß in dem T-S-Diagramm eines Mediums gegebener Konzentration die Kurven für konstante Drücke annähernd parallel sind.
Es ist bekannt, daß sich die Kurven des Wärmepumpen-Kreisprozesses sogar im Falle von unendlich großen Wärmeaustauschfächen nur dann an die Temperaturablaufkurve des wärmeabgebenden Mediums anschmiegen kann, wenn das Arbeitsmedium und das wärmeabgebende Medium gleiche Wärmekapazität aufweisen, also wenn im Falle der Übertragung einer gegebenen Wärmemengen ihre Temperatur im gleichen Maße verändert wird. Wenn also die Tempc- aturänderung des wärmeabgebenden und des wärmeaufnehmenden Mediums voneinander wesentlich abweicht, dann kann der Temperaturablauf des Arbeitsmediums in den Wärmeaustauschern der hybriden Wärmepumpe nicht gleichzeitig an beide Medien angepaßt werden. Es folgt daraus, daß die hybride Wärmepumpe erst dann mit einem wirklich günstigen L'eistungsfaktor arbeiten kann, wenn die Temperaturänderung des wärmeabgebenden und wärmaufnehmenden Mediums nahezu gleich ist, und die Temperaturändrung des Arbeitsmediums im Verdampfer und im Kondensator diesen Temperaturänderungen angepaßt ist.
Wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist, dann ist der Gewinn im Vergleich zur herkömmlichen Wärmepumpe niedriger. Diese Erscheinung ist anhand eines T-S-Diagramms in Fig. 6 dergestellt. Diese Figur zeigt einen solchen Fall, wo die Temperaturänderung < T₂ des wärmeabgebenden Mediums 2 viel gringer ist als die Temperaturänderung 4 T₁ des wärmeaufnehmenden Mediums.
Ein ähnlicher Fall kann vorkommen, wenn die Wärmequelle eine Abfallwärme mit niedrigem Temperaturniveau ist, z.B. ein Abwasser von 30° C oder ein erwärmtes Kühlwasser, das ohne Einfriergefahr höchstens bis +5° C abgekühlt werden kann, d.h. die Temperaturänderung beträgt 25° C. Die Aufgabe besteht in der Erzeugung von Gebrauchswarmwasser mit einer Temperatur von 85°C aus dem zur Verfügung stehenden Leitungswasser von 15°C für die Zwecke der Lebensmittelindustrie. Hier beträgt die Termperaturänderung 70°C, also das Mehrfache des anderen Wertes.
In 1 lg. 6 ist der Temperaturablauf der Medien 1 bzw. ? durch kontinuierliche linien bezeichnet. Die Figur zeigt ideale Kreisprozesse (isentropische Kompression und Expansion. unendlich große Wätmeaustauschflächen). Es sind der Carnot-Pre ess mit gestrichelter Linie und der theoreretische Kreisprozess der hybriden Wärmepumpe mit strichpunktierter Linie dargestellt, wobei der letztere an das Medium 2 angepaßt ist. Aus der Figur ist es gut ersichtlich, daß die durch den Kreisprozess veränderlicher Temperatur umschlossene Fläche und somit die notwendige mechanische Arbeit wesentlich geringer sind als beim Carnot-Prozess, aber wesentlich größer als die theoretisch notwendige minimale Arbeit. Dieser Mangel kann auch nicht dadurch behoben werden, daß der Kreisprozess an das Medium 1 angepaßt wird oder daß eine dazwischenliegende Variante verwendet wird.
Es ist auch problematisch, wenn die Temperaturänderung des wärmeabgebenden und wärmeaufnehmenden Mediums zwar ungefähr gleich ist, aber wesentlich größer als daß das Arbeitsmedium aus zwei Komponenten ihr rationell foigen kann. Ein solcher Fall ist in Fig. 7 dargestellt, wo das wärmeabgebende und das wärmeaufnehmende Medium durch kontinuierliche Linien angegeben sind, während der Kreisprozess durch eine strichpunktierte Linie bezeichnet ist. Es ist daraus ersichtlich, daß der Leistungsbedarf des Kreisprozesses wesentlich größer ist als theoretisch notwendig, obwohl dieser Leistungsbedarf immer noch günstiger ist als bei dem in der Figur nicht dargestellten Carnot-Prozess. Die Temperaturänderung kann durch die Änderung der Konzentration, des Druckes und des Dampfgehaltes am Ende des Verdampfers beeinflußt werden, aber die Auswirkung dieser Faktoren bietet nur eine beschränkte Lösung.
Die Aufgabe der Erfindung ist eine solche Weiterentwicklung der hybriden Wärmepumpe, die es ermöglicht, den Temperaturablauf des Verdampfers und des Kondensators zwischen sehr breiten Grenzen unabhängig voneinander an den Temperaturablauf des wärmeabgebenden bzw. des wärmeaufnehmenden Mediums anzupassen, damit der theoretisch größtmögliche Leistungsfaktor in maximalem Maße angenähert werden kann.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Verdichter als eine mehr als einen Saug- und/oder Drckstutzen aufweisende Finheit ausgebildet ist. deren Stutzen mehrere Druck tufen zum gleichzeitigen Ansaugen bei mehr als einem Saugdruckniveau und/oder zur 1 ieferung auf mehr als ein Druckniveau bilden, wobei die Druckstufenanzahl der Verdampfer qleich der Anzahl der Sauqdruckniveaus ist und die Druckstufenanzahl der Kondensatoren gleich der Anzahl der druckseitigen Druckniveaus ist.
Erfindungsgemäß ist es vorteilhaft, wenn druckreduzierenden Elemente, z.B. Expansionsventile, so eingebaut sind, daß bei entsprechend der flöhe der Druckniveaus aufeinanderfolgend angeordneten Druckstufen des Verdichters zwischen je zwei einander benachbarten Druckstufen ein druckreduzierendes Element angeordnet ist.
Es wird ebenfalls vorgezogen, zur Verminderung des Druckes des Arbeitsmediums eine Expansionsturbine einzubauen, deren mehrere Eintritts-und/oder Austrittsstutzen so ausgebildet sind, daß die Turbine in Übereinstimmung mit der Anzahl der Druckstufen des Verdichters zur Aufnahme bzw. Abgabe des Arbeitsmediums gleichzeitig bei mehreren Druckniveaus fähig ist.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn zum Wärmeaustausch zwischen den aus den Kondensatoren und den Verdampfern austretenden Medien innere Wärmeaustauscher eingebaut sind.
Die Erfindung wird ausführlicher anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, die aus den Fig. 8 bis 13 der Zeichnung ersichtlich sind. Es zeigen:

Fig. 8 ein theoretisches Schaltschema einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe,
Fig. 9 den Kreisprozess der Wärmepumpe gemäß Fig. 8 in einem T-S-Diagramm
Fig. 10 das Schaltschema einer Variante der erfindungsgemäßen Wärmepumpe
Fig. 11 ein Schaltschema der Kompressoren einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe,
Fig. 11b das Schaltschema der Expansionsventile der erfindungsgemäßen Wärmepumpe für einen Sonderfall,
Fig. 11c das Schaltschema einer Variante der erfindungsgemäßen Wärmepumpe,
Fig. 11d das Schaltschema einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmepumpe,
Fig. 12 das Schaltschema einer weiteren Ausführungsform mit einem Kondensator mit mehreren Druckstufen,
Fig. 13 das Schaltschema einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmepumpe, bei der die Stufenanzahl der Kondensatoren und der Verdampfer gleich ist.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet die Wärmepumpe mit einem aus zwei Komponenten bestehenden Arbeitsmedium, das bei veränderlicher Temperatur verdampft und kondensiert, wobei wenigstens der Kondensator und/oder der Verdampfer bei mehr als einem Druckniveau p₃, p₄, p₅ arbeitet, wodurch die Temperaturänderung des Arbeitsmediums je nach Bedarf beeinflußt werden kann. Ein Beispiel dafür ist in Fig. 8 dargestellt. Das Arbeitsmedium tritt bei drei verschiedenen Druckniveaus aus dem Verdichter 3 aus und jedem Austrittsdruckniveau ist ein gesonderter Kondensator zugeordnet, so daß das wärmeaufnehmende Medium 1 in den drei Kondensatoren 4a, 4b, 4c bei drei unterschiedlichen Drücken erwärmt wird. Danach tritt das Arbeitsmedium aus den Kondensatoren bei drei entsprechend unterschiedlichen Druckniveaus einer Expansionsturbine 8 in diese ein und wird aus dieser bei zwei unterschiedlichen Druckniveaus den beiden Verdampfern 6a und 6b zugeleitet, die von dem wärmeabgebenden Medium 2 geheizt werden und aus denen das Arbeitsmedium bei zwei entsprechend unterschiedlichen Eintrittsdruckniveaus wieder in den Verdichter 3 geleitet wird.
Fig. 9 zeigt diesen Kreisprozess in einem T-S-Diagramm im Falle einer isentroplschen Kompression und Expansion. Die Temperaturänderungen der Medien und 2 sind - für unendlich große Wzrmeaustauschflächen - an der rechten Seite der Figur gesondert dargestellt. Der Kondensator und der Verdampfer weisen in Fig. 8 und 9 nur beispielsweise drei bzw. zwei Druckstufen auf, da die 4nzahl der Druckstufen je nach Bedarf bestimmt werden kann.
Die tatsächliche Schaltung der erfindungsgemäßen Wärmepumpe ist komplizierter, sie enthält nämlich vorzugsweise auch innere Wärmeaustauscher 7 z.B. gemäß Fig. 10. Die Expansionsturbine 8 ist nur bei sehr großen Anlagen wirtschaftiich, so daß anstelle dieser Turbinen im allgemeinen druckreduzierende Elemente (z.B. Drosselventile) verwendet werden. Eine solche Ausführungsform zeigt Fig. 10. Hi'er weist die Kondensatoreinheit, ähnlich wie im verigen Beispiel, drei Druckstufen auf, während die Verdampfereinheit zwei Druckstufen aufweist. Gegebenenfalls kann auch eine andere Anzahl von Druckstufen gewählt werden.
Das Arbeitsmedium tritt aus dem Verdichter 3 mit drei unterschiedlichen Druckniveaus p₃, p₄, p₅in die drei Kondensatoren 4a, 4b, 4c über, wo das wärmeaufnehmende Medium 1 von dem Arbeitsmedium erwärmt wird. Den Kondensatoren sind innere Wärmeaustauscher 7a, 7b, 7c nachgeschaltet, wo sich das Arbeitsmedium mit hohem Druck weiter abkühlt und Wärme an das Arbeitsmedium mit niedrigem Druck berträgt. Die Ausgänge der inneren Wärmetauscher 7a, 7b, 7c sind unter Zwischer chaltung jeweils eines von zwei Expans insventilen 5c, 5d zusammengelührt, denen zwei weitere Expansionsventile 5a, 5b nachgeschaltet sind. Der Druck des Arbeitsmediums wird in den vier Expansionsventilen 5a, 5b, 5c, 5d stufenweise auf das erforderliche Niveaus herabgesetzt, wonach das Arbeitsmedium mit zwei unterschiedlichen Druckniveaus in je einen von zwei Verdampfern 6a, 6b eintritt.
Die Verdampfer 6a, 6b werden vom wärmeabgebenden Medium 2 geheizt. Das hier erwärmte und teilweise verdampfte Arbeitsmedium erwärmt sich in den inneren Wärmeaustauschern 7a, 7b. 7c weiter, von denen zwei in Reihe dem einen Verdampfer 6a und eines dem anderen Verdampfer 6b nachgeschaltet sind, dann tritt es bei entsprechenden Druckniveaus p₁ und ^p ₂ wieder in den Verdichter 3 ein.
Wenn die Konstruktion des Verdichters 3 nicht geeignet ist, Saug- bzw. Druckstutzen bei unterschiedlichen Druckniveaus zu haben, können gemäß Fig. 11a auch mehrere Verdichter vorgesehen werden. Hier sind in Reihe fünf Verdichter 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, zweckmäßigerweise auf einer gemeinsamen Achse eingebaut, wobei die gemeinsame Achse keine unerläßliche Bedingung ist. Das Arbeitsmedium tritt mit zwei unterschiedlichen Drücken in die beiden ersten Verdichter 3a bzw. 3b ein und mit drei unterschiedlichen Drücken aus den drei letzen Verdichtern 3c, 3d bzw. 3e aus. Es kann ausnahmsweise vorkommen, daß der Saugdruck p₂ etwas größer ist als der druckseitige Druck p₃. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 11a bedeutet das nur so viel Änderung, daß das Arbeitsmedium aus dem Verdichter 3b mit einem Druck p₃ austritt, während das Medium mit dem Druck p₂ in den Verdichter 3c eintritt. Wenn dieser Ausnahmefall vorkommt, dann soll die Gruppe der Expansiunsventile gemäß Fig. 11a entsprechend umgestaltet werden.
Wenn die Konstruktion der in Fig. 8 dargestellten Expansionsturbine nicht geeignet ist, Ein- und Austrittstutzen für verschiedene Drücke aufzuweisen, dann kann die gleiche Lösung wie beim Verdichter gemäß Fig. 11a mit mehreren hintereinandergeschalteten Expansionsturbinen verwendet werden.
Die Schaltung der inneren Wärmeaustauscher 7a, 7b, 7c in Fig. 10 ist so, daß das aus dem Verdampfer mit einem Druck p₂ austretende Arbeitsmedium von einer Flüssigkeit mit einem Druck p₅, und das Medium mit einem Druck p₁ von den Flüssigkeiten mit den Drücken p₃ und p₄ erwärmt wird. Die in der Figur dargestellte Schaltung ist zwar bei bestimmten Werten der Medienströme und der Drücke optimal. Es können jedoch auch solche Fälle vorkommen, daß eine von der Figur abweichende Schaltung mit einem größeren thermodynamischen Vorteil verbunden ist, z.B. wenn sich die Massenströme und die Druckniveaus unter den einzelnen Kondensatoren und Verdampfern anders verteilen, wodurch auch die Temperaturabläufe anders sind.
Als Beispiel wird in Fig. 11a ein solcher Fall vorge eilt, be. dem das aus dem Verdampfer 6a austretende Medium mit dem Druck p₁ in dem inneren Wärmeaustauscher 7a von einer Flüssigkeit mit dem Druck p₃, und das Medium mit dem Druck p₂ in den inneren Wärmeaustauschern 7b und 7c von Medien mit den Drücken p₄ und p₅ ermärmt wird. E s kann aber auch vorkommen, daß es sich lohnt, die vom Kondensat mit dem Druck p₄ abgegebene Wärme unter den Medien mit den Drücken p₁ und p₂ aufzuteilen, wie es aus Fig. 11 d ersichtlich ist. Es ist zu bemerken, daß in dieser Figur das Medium mit dem Druck p₄ auf die die von ihm stammende Wärme abgebenden inneren Wärmeaustauscher 7b und 7c verzweigt ist, diese sind also parallel geschaltet, aber ein solcher Fall ist auch möglich, für den es günstiger ist, die inneren Wärmeaustauscher 7b und 7c entlang des Strömungsweges des Mediums mit dem Druck p₃ in Reihe zu schalten.
Ein spezieller Fall der Verwirklichung des Erfindungsgedanken ist in Fig. 12 dargestellt, wobei nur der Kondensator bei drei Druckstufen 4a, 4b, 4c arbeitet und nur ein erdampfer 6 vorgeschen ist, d.h. der Verdichter saugt nur auf einem einzigen Druckniveau an und liefert Arbeitsmedien mit drei unterschiedlichen Druckniveaus. Dies ist dann notwendig, wenn die Temperaturänderung des wärmeaufnehmenden Mediums wesentlich größer ist als die des wärmeabgebenden Mediums.
Ein umgekehrter Fall ist aus Fig. 12 ersichtlich, wonach nur eine Kondensatorstufe 4 und drei Verdampferstufen 6a, 6b, 6c vorgesehen sind. In Fig. 10 ist die allgemeine Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe dargestellt, wonach die Stufenanzahl der Kondensatoren und Verdampfer voneinander abweicht. In einem speziellen Fall kann diese Stufenanzahl auch gleich sein, z.B. zwei saugseitige Druckstufen am Verdichter 3 Calso zwei Verdampferstufen) und zwei druck eitigen Druckstufen (also zwei Kondensatorstufen).
Wenn in diesem speziellen Fall die Medienströme auf die S_'ufen so aufgeteilt sind, daß der Medienstrom des Kondensators mit dem höheren Druck gleich dem Medienstrom höheren Druckes aus dem Verdampfer ist, dann kann die erfindungsgemäße Lösung auf die Reihenschaltung zweier, voneinander unabhängiger Kreisprozesse der hybriden Wärmepumpe zurückgeführt werden.
Der gleiche Gedankengang gilt auch dann, wenn die Anzahl der Druckstufen des Verdampfers und des Kondensators gleich ist, aber mehr als zwei (z.B. drei) beträgt.
Es ist zu bemerken, daß in der Beschreibung der Erfindung nur über die Wärmepumpe gesprochen wurde. Es ist jedoch bekannt, daß sich eine Kältemaschine von einer Wärmepumpe nur darin unterscheidet. daß dort nicht die abgegebene, sondern die entzogene Wärme als Nutzwärme betrachtet wird. Also alles, was im Zusammenhang mit der Wärmepumpe erläutert wurde, gilt sinngemäß auch für die Kältemaschine.

Claims

1.