WO2007054204A1 - Solar betriebene kältemaschine - Google Patents

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WO2007054204A1
WO2007054204A1 PCT/EP2006/010262 EP2006010262W WO2007054204A1 WO 2007054204 A1 WO2007054204 A1 WO 2007054204A1 EP 2006010262 W EP2006010262 W EP 2006010262W WO 2007054204 A1 WO2007054204 A1 WO 2007054204A1
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piston
refrigerant
working
working fluid
heat exchanger
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PCT/EP2006/010262
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Richard Engelmann
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Richard Engelmann
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    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B27/00—Machines, plants or systems, using particular sources of energy
    • F25B27/002—Machines, plants or systems, using particular sources of energy using solar energy
    • F25B27/005—Machines, plants or systems, using particular sources of energy using solar energy in compression type systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04B17/006—Solar operated
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04B9/08—Piston machines or pumps characterised by the driving or driven means to or from their working members the means being fluid
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    • F04B9/123—Piston machines or pumps characterised by the driving or driven means to or from their working members the means being fluid the fluid being elastic, e.g. steam or air having only one pumping chamber
    • F04B9/125—Piston machines or pumps characterised by the driving or driven means to or from their working members the means being fluid the fluid being elastic, e.g. steam or air having only one pumping chamber reciprocating movement of the pumping member being obtained by a double-acting elastic-fluid motor
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    • F25B1/00—Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle
    • F25B1/02—Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle with compressor of reciprocating-piston type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B2400/00—General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
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    • F25B27/00—Machines, plants or systems, using particular sources of energy
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/46—Conversion of thermal power into mechanical power, e.g. Rankine, Stirling or solar thermal engines

Definitions

  • the degree of cold is dimensionless and indicates the ratio of the amount of cold produced to the amount of energy used.
  • Electrically operated chillers have a degree of cooling of about 4
  • solar-electric chillers have a relation to the sunlight Cooling degree of about 0, 4
  • conventional solar thermal operated absorption chillers have a degree of cold of about 0.1.
  • the invention is based on the object to provide a solar-powered chiller, which is simple in construction and operates in a wide operating range with consistently good degrees of cold.
  • a refrigerating machine with a working medium circuit and with a refrigerant circuit wherein the working medium circuit comprises a working machine, a first condenser, a condensate pump and a first evaporator, and wherein the refrigerant circuit comprises a reciprocating compressor, a second condenser, an expansion valve and a second Evaporator includes, solved by the working machine is designed as a piston engine that the working fluid circuit and the refrigeration cycle are mechanically coupled and that the working fluid circuit and the refrigerant circuit are thermally coupled by means of a first heat exchanger and a second heat exchanger.
  • the relatively low working pressure of the working fluid can be efficiently and easily converted into mechanical energy.
  • the efficiency of the conversion is based inter alia on the fact that in a piston machine, the mechanical work is essentially caused by the pressure of the working gas on the piston and only a small part by an expansion of the gaseous working fluid.
  • Piston engines are also relatively robust in terms of their operating characteristics, so that in the naturally changing solar radiation performance, the quality of the cycle in the working fluid circuit remains almost constant.
  • this can be coupled directly to a piston compressor of the refrigerant circuit, so that there are no conversion losses and the turnover of the refrigerant circuit is coupled to the turnover of the working fluid circuit.
  • the degree of cooling can be improved by thermally coupling the working medium circuit and the refrigerant circuit by means of two heat exchangers.
  • the piston engine can be designed as a steam engine or as a steam engine.
  • the steam engine can work as an expansion or displacement machine. Which of these piston engines is given preference in individual cases depends on the types and outputs available on the market.
  • the piston engine comprises two or more pistons and cylinders. Dimensions and number of pistons and cylinders naturally depend on the required drive power for the reciprocating compressor.
  • the warm side of the first heat exchanger is arranged between an outlet of the piston engine and the first condenser and if the cold side of the first heat exchanger is arranged between the evaporator and an inlet of the piston compressor.
  • a second heat exchanger is provided between the outlet of the condensate pump and the solar collector of the working medium circuit on the one hand and the outlet from the piston compressor and the inlet to the second condenser of the refrigerant circuit, so that here in the refrigerant after compression existing thermal energy at the appropriate temperature level can be transferred to the working fluid.
  • Both heat exchangers can be used both individually and in combination with each other. It goes without saying that by using two heat exchangers and two internal heat recovery systems, the degree of cold is better than when only one heat exchanger is used.
  • the first evaporator is designed as a solar collector.
  • various types of conventional thermal solar collectors such as concentrating or non-concentrating collectors can be used. It is also possible to use vacuum flat collectors or evacuated tube collectors, depending on the temperature of the working medium.
  • a first control valve is provided and at the outlet of the piston engine, a second control valve is provided.
  • the first control valve As with any steam engine, it is possible to alternately flow the pressurized working fluid into a first working space and into a second working space of the reciprocating engine. This will be the caused oscillating movement of the piston of the piston engine.
  • the second control valve is provided at the outlet of the piston engine. This control valve is controlled so that the one working space that is not acted upon by high pressure working fluid from the solar collector, with a capacitor or a first heat exchanger is hydraulically in communication.
  • the second control valve also makes it possible to operate the piston engine hermetically and to prevent the escape of working fluid into the environment.
  • FIG. 1 shows the process scheme
  • FIG. 2 shows the temperature range of the two circuits
  • FIG. 3 shows the pressure range of the two circuits
  • FIG. 4 shows the working medium circuit
  • FIG. 5 shows the refrigerant circuit
  • FIG. 6 the combination of both circuits
  • Figure 7 shows a piston engine with two working pistons and directly coupled reciprocating compressor
  • FIG. 8 shows a piston machine with two membranes for driving a compressor piston.
  • FIG. 1 shows a flow chart of the solar-powered refrigerating machine according to the invention.
  • the refrigerating machine according to the invention has a working medium circuit and a refrigerant circuit.
  • the working fluid circuit comprises a solar collector in which a working fluid is vaporized and overheated. This means that the solar collector assumes the function of an evaporator in a conventional right-handed cycle.
  • a piston machine is subjected to the pressurized working fluid and thereby generates mechanical energy.
  • the emerging from the piston engine working fluid is condensed in a condenser and supplied to the solar collector with the aid of a condensate pump, not shown.
  • the refrigerant circuit is shown schematically. In the refrigerant circuit is using an evaporator located under low pressure Working fluid evaporates. The heat required for this is taken from the medium to be cooled.
  • the vaporized refrigerant is brought to a higher pressure in a reciprocating compressor. At the same time, this increases the temperature of the refrigerant to such an extent that the refrigerant can deliver heat to the environment or to another medium. This process takes place in a condenser.
  • an unillustrated expansion valve is provided.
  • FIG. 2 shows, by way of example, the temperature deviation of a working cycle.
  • This temperature can, for example, between 45 ° C and 60 0 C, if the working fluid in the solar collector is not overheated. If the working fluid overheats, the temperature in the solar collector can also be higher. Since the working cycle does not fall below a temperature of 45 ° C. during operation, but the refrigeration cycle in the region of the evaporator, for example, temperatures of about 0 0 C, it is possible to couple heat from the condenser of the working fluid circuit in the evaporator of the refrigerant circuit.
  • the solar chiller invention satisfies the main theorems of thermodynamics.
  • the temperatures and pressures are dependent on the working fluids and refrigerants used.
  • the solar chiller according to the invention can be adapted to specific work areas and operating conditions.
  • the working medium circuit comprises a solar collector 1, which is connected via a line (without reference numeral) to an inlet 3 of a steam engine 5.
  • the steam engine 5 comprises a cylinder 7 in which a double-acting piston 9 oscillates.
  • the oscillation movement of the piston 9 is indicated by a double arrow 11.
  • the piston 9 divides the interior of the cylinder 7 in a first working space 13 and a second working space 15th
  • An outlet 17 of the steam engine 5 is connected to a first condenser 19 via another line (not numbered).
  • the working fluid heat Q a b is withdrawn, so that the working fluid is condensed and with the aid of a condensate pump 20 again the solar collector 1 can be supplied.
  • a first 3/2-way control valve is provided at the inlet 3 of the steam engine 5.
  • the first control valve 23 connects the solar collector 1 with the first working space 13.
  • the piston 7 moves to the right and reduces the volume of the second working space 15th
  • a second control valve 25 is provided, which connects the outlet 17 and thus the second working chamber 15 of the steam engine 5 with the condenser 19 in the first switching position shown in FIG.
  • control of the control valves 21 and 23 is not shown in Figure 4, however, various concepts are known from the field of steam engine technology and compressed air technology, with the aid of the movement of the piston 9 for controlling the control valves 21 and 23 can be used. Also electrical and pneumatic controls are common.
  • FIG. 5 a refrigerant circuit is now shown, which can be used in the solar cooling machine according to the invention.
  • the central component of this refrigerant circuit is a piston compressor 27 with a cylinder 29 in the one Piston 31 oscillates.
  • a piston rod 33 is mounted on the piston 31, which is mounted.
  • the cylinder 29 and the piston 31 define a working space 35.
  • the piston 31 When the piston 31 is placed in an oscillating motion (see the double arrow 11), it conveys a refrigerant from a second evaporator 41 into a second condenser 43. At the same time, the pressure and temperature of the refrigerant in the reciprocating compressor 27 are increased.
  • the compression ratio of the reciprocating compressor 27 must be selected so that the refrigerant has a sufficiently high temperature when entering the second condenser 43, to be able to deliver heat either to another heat carrier or the environment. In this case, the refrigerant condenses in the second condenser 43.
  • the condensed refrigerant passes to an expansion valve 45 and is there to a low pressure, for example, 0.5 bar, expanded. This reduces the temperature of the refrigerant.
  • a low pressure for example, 0.5 bar
  • the expanded and low-temperature refrigerant enters the second evaporator 41, it may become relatively low Temperature of, for example, 0 ° C heat Q Z u absorb and evaporate.
  • FIG. 6 the working fluid circuit according to FIG. 4 and the refrigerant circuit according to FIG. 5 are connected to form a solar chiller according to the invention.
  • the solar chiller according to the invention not only the steam engine 5 and the piston compressor 27 are mechanically coupled, but with the aid of a first heat exchanger 47 and a second heat exchanger 49 are the
  • the working medium circuit and the refrigerant circuit are also thermally coupled by means of the first heat exchanger 47 and the second heat exchanger 49.
  • the first heat exchanger 47 and the second heat exchanger 49 have a so-called warm side and a cold side.
  • the warm side flows through the medium, which gives off its heat energy to the medium flowing through the cold side.
  • the working fluid gives heat to the between the outlet from the second evaporator 41 and the entry into the Piston compressor 27 located refrigerant from.
  • suction gas superheat is used for this transfer of heat energy at the inlet of the compressor.
  • the working fluid at the outlet from the steam engine 5 has a temperature of about 45 ° C, while the refrigerant at the outlet from the second evaporator has a temperature of about xx ° C. This temperature difference is sufficiently large to transfer the heat from the working fluid to the refrigerant can.
  • the second heat exchanger 49 is arranged with its warm side between the outlet from the piston compressor 27 and the inlet to the second condenser 43.
  • the cold side of the second heat exchanger 49 is arranged between the outlet from the condensate pump 20 and the inlet to the solar collector 1. This makes it possible to transfer heat from the refrigerant to the working fluid and thus to raise the inlet temperature of the working fluid in the solar collector 1 and to evaporate a large part of the working fluid.
  • the energy requirement is reduced with the same cooling capacity and the solar chiller according to the invention, provided the same solar irradiation, more efficient.
  • the solar chiller can operate at the following temperatures and pressures:
  • the pressure indications are absolute values, i. Normal pressure is 1 bar, vacuum is 0 bar.
  • the working medium is vaporous and overheated. Its temperature is about 90 ° C and its pressure about 5 bar.
  • the working fluid is still vaporous at a temperature of about 60 0 C and a pressure of about 3 bar.
  • the working fluid releases part of its heat energy to the refrigerant and becomes saturated steam at about 45 ° C. and 3 bar.
  • the saturated steam gives off further heat energy and condenses completely.
  • the condensate is brought by means of the condensate pump 20 to a pressure of 5 bar and conveyed into the second heat exchanger 49
  • the working fluid absorbs heat and flows at a temperature of 60 0 C back to the solar collector 1.
  • gaseous refrigerant is compressed from 0.5 bar to 7 bar.
  • the temperature rises from 30 0 C to 80 0 C; it remains gaseous.
  • Via a line it flows to the second heat exchanger 49. There, it cools at constant pressure to 60 0 C and becomes wet steam.
  • a line Via a line, it flows to a second condenser 43 and releases heat to the environment until complete condensation.
  • the temperature of the refrigerant exiting the second condenser 43 is dependent on the ambient temperature and is approximately at 45 ° C.
  • the refrigerant flows to the expansion valve 45 and expands to 0.5 bar.
  • the expansion valve has to ensure in its characteristic the evaporation pressure of 0.5 bar and is the only control element in the circuit.
  • the expansion of the refrigerant leads to a cooling of the refrigerant to about 0 ° C in saturated steam condition.
  • the refrigerant can absorb heat.
  • the second evaporator 41 is the refrigeration device for the air conditioning by heat is absorbed from the environment or by a heat transfer medium to be cooled.
  • the cold working fluid flows via a line into the first heat exchanger 47 and is there to superheated steam at a temperature of about 30 0 C. From there it is sucked via a line in the reciprocating compressor. This closes the refrigerant circuit.
  • Mi is the mass flow of the working fluid
  • M2 the mass flow of the refrigerant
  • dpi the pressure stroke of the working fluid
  • dp2 the pressure stroke of the refrigerant
  • the power reduction caused by the difference in the mass flow and the loss of efficiency can be partially offset by the use of two different refrigerants.
  • the working fluid on the side of the working cycle must have the lowest possible specific evaporation energy, the refrigerant on the side of the refrigeration cycle as high as possible.
  • Propane has a specific evaporation energy of 18 KJ / mol while R 245 has a specific evaporation energy of 28 KJ / mol.
  • R 365 As a working medium or as a refrigerant can also be used: R 365; R 227; R 134 and mixtures of these refrigerants.
  • FIG. 7 schematically shows an exemplary embodiment of a steam engine 5 with two pistons. This makes it possible to double the force of the steam engine 5 with the same piston diameter.
  • the two pistons 9 act on the same piston rod 25, which, as in the previous embodiment, is coupled to the piston rod 33 of the piston compressor 27.
  • the first control valve 21 and the second control valve 23 are still 3/2-way valves. However, the connections are and the switch positions slightly different than in the control valves 21 and 23 according to FIG. 6.
  • the first control valve 21 has, like the second control valve 23 also, an inlet 51 which is connected to the solar collector 1. Furthermore, the control valves 21 and 23 each have a first outlet 53 which is connected to the first heat exchanger 47 (not shown). A second outlet 55 of the first control valve 21 is connected to the second working spaces 15 of the steam engine 5.
  • a second outlet 57 of the second control valve 23 is connected to the first working spaces 13 of the steam engine 5.
  • the piston compressor 27 is thereby simultaneously actuated and the refrigerant is compressed in the desired manner.
  • the pistons 9 are designed as membranes 59. This means that they are sealingly connected to the cylinder 7 on the one hand and the piston rod 25.
  • the membrane 59 separates both circuits to the outside and against each other hermetically.
  • the diaphragms 59 are flexible, so that, for example, when pressurized working fluid reaches the first working spaces 13 via the second outlet 57 of the second control valve 23, the diaphragms deform so that they move to the right in FIG. 8 and, because of them rigid connection with the piston rod 25 thereby move the piston rod 25 to the right.
  • Embodiment according to Figure 8 only a second working space 15 is present, which can be filled via the second outlet 55 of the first control valve 21 with working fluid from the solar collector 1. By filling the second working space 15, the return stroke of the piston 31 and the suction of the refrigerant in the piston compressor 27 are made.
  • a space 61 which is arranged between the diaphragm 59 arranged on the right in FIG. 8 and the piston compressor 27, has a connection, not shown, to the environment, so that no pressure is built up in the space 61 during the compression stroke of the piston 31 of the piston compressor 27.
  • this space 61 it would also be possible to close this space 61 tight and to use the gas in this space as a gas spring. This gas spring then supports the suction stroke of the piston 31 of the reciprocating compressor 27.
  • the variant according to FIG. 8 can advantageously be used when the working medium and the refrigerant are different and mixing of the two refrigerants in the area of the steam engine 5 and the reciprocating compressor 27 is to be avoided.
  • a special position in the invention assumes the structural design of the drive and compressor unit.
  • expansion or flow machines are not available on the market, especially the low pressures below 10 bar, the temperatures around 100 0 C and the small gas volume flows of less than 1000 liters / minute set here limits.
  • this unit should be constructed as simply as possible, the working fluid must act via a piston or a membrane directly on the refrigerant to be compressed. Translations or transmissions should not be used.
  • the unit should be hermetic. So it should come to a displacement machine on the drive side are used.
  • the hot, gaseous working fluid moves by displacement a piston or a membrane on the opposite side of which is to be compressed refrigerant.
  • the effective working piston must have a larger area than the piston of the compressor.
  • the ratio of effective areas must be at least 6.5 to 2 or higher.
  • Figures 7 and 8 show a unit with two working pistons and a compressor piston through the connection of the working piston creates a pressure boost.

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Abstract

Es wird eine solare Kältemaschine vorgeschlagen, bei der eine Dampfmaschine (5) und ein Kolbenverdichter (27) direkt miteinander gekoppelt sind und die Arbeitsmittelkreisläufe und die Kältemittelkreisläufe mit Hilfe zweier Wärmetauscher ( (47, 49) thermisch miteinander gekoppelt sind.

Description

Titel: Solar betriebene Kältemaschine
Besehreibung
Stand der Technik
Mit zunehmendem Anspruch auf Wohnqualität gewinnt der Einsatz von Klimaanlagen immer mehr an Bedeutung. Sowohl im privaten Bereich als auch in öffentlichen oder industriellen Gebäuden werden immer mehr Gebäude klimatisiert. Die dazu erforderlichen handelsüblichen Kälteverdichter werden in der Regel mit Hilfe elektrischer Energie angetrieben.
Die Vergangenheit hat gezeigt, dass in den Sommermonaten durch den Stromverbrauch von Klimaanlagen die Versorgung mit elektrischer Energie durchaus problematisch werden kann. Geht man von zunehmender Erderwärmung mit gleichzeitiger Energieverknappung aus, so ist ein Betrieb von Klimaanlagen mit solarer Energie eine naheliegende Konsequenz.
Es existiert eine Vielzahl von solaren Kältemaschinen bei denen in Turbinen die erforderliche Antriebsleistung für die Kältemaschine erzeugt wird. Diese Turbinen sind Teil eines Wasserdampf- oder Rankinekreisläufs . Des Weiteren sind Absorptionskältemaschinen bekannt. Allerdings hat sich keine dieser Kältemaschinen am Markt durchsetzen können.
Die Gründe liegen oft in ungenügenden Wirkungsgraden (Kältegrad) . Der Kältegrad ist eine dimensionslose Größe und gibt das Verhältnis der erzeugten Kältemenge zur eingesetzten Energiemenge an. Elektrisch betriebene Kältemaschinen haben einen Kältegrad von etwa 4, solarelektrisch betriebene Kältemaschinen haben bezogen auf die Sonneneinstrahlung einen Kältegrad von etwa 0, 4 und herkömmliche solarthermisch betriebene Absorptionskältemaschinen haben einen Kältegrad von etwa 0,1.
Ein weiteres Problem der aus dem Stand der Technik bekannten solaren Kältemaschinen besteht darin, dass sie spezielle Anlagenkomponenten erfordern, welche auf dem Markt nicht zu beschaffen sind, was die Kosten in die Höhe treibt.
Vor allem bei kleinen Anlagen sind keine angepassten Axialoder Radialturbinen oder andere Expansionsmaschinen verfügbar. Die geringen Druck- und Temperaturunterschiede bei solarthermisch erzeugten Dämpfen ermöglichen keine ausreichende Energieausbeute in Turbinen. Strömungsmaschinen benötigen außerdem relativ klar definierte Arbeitspunkte welche bei wechselnder Sonneneinstrahlung nicht immer eingehalten werden können.
Schließlich steht die Notwendigkeit, dass die eingesetzten Komponenten hermetischen Betrieb geeignet sein müssen, dem Markterfolg der aus dem Stand der Technik bekannten solar betriebenen Kältemaschinen entgegen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine solarbetriebene Kältemaschine bereitzustellen, die einfach im Aufbau ist und in einem weiten Betriebsbereich mit konstant guten Kältegraden arbeitet .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst bei einer Kältemaschine mit einem Arbeitsmittelkreislauf und mit einem Kältemittelkreislauf, wobei der Arbeitsmittelkreislauf eine Arbeitsmaschine, einen ersten Kondensator, eine Kondensatpumpe und einen ersten Verdampfer umfasst, und wobei der Kältemittelkreislauf einen Kolbenverdichter, einen zweiten Kondensator, ein Expansionsventil und einen zweiten Verdampfer umfasst, dadurch gelöst, dass die Arbeitsmaschine als Kolbenmaschine ausgebildet ist, dass der Arbeitsmittelkreislauf und der Kältekreislauf mechanisch gekoppelt sind und dass der Arbeitsmittelkreislauf und der Kältemittelkreislauf mittels eines ersten Wärmetauschers und eines zweiten Wärmetauschers thermisch gekoppelt sind.
Vorteile der Erfindung
Durch die Verwendung einer Kolbenmaschine kann der relativ geringe Arbeitsdruck des Arbeitsmittels auf effiziente und einfache Weise in mechanische Energie umgewandelt werden. Die Effizienz der Umwandlung beruht unter anderem darauf, dass bei einer Kolbenmaschine die mechanische Arbeit im Wesentlichen durch den Druck des Arbeitsgases auf den Kolben und nur zu einem geringen Teil durch eine Expansion des gasförmigen Arbeitsmittels bewirkt wird.
Kolbenmaschinen sind außerdem relativ robust bezüglich ihrer Betriebscharakteristik, so dass bei den naturgemäß wechselnden Solarstrahlungsleistungen die Güte des Kreisprozesses im Arbeitsmittelkreislauf nahezu konstant bleibt.
Durch die Verwendung einer Kolbenmaschine kann diese direkt mit einem Kolbenverdichter des Kältemittelkreislaufs gekoppelt werden, so dass hier keine Umwandlungsverluste entstehen und der Umsatz des Kältemittelkreislaufes mit dem Umsatz des Arbeitmittelkreislaufs gekoppelt ist.
Des Weiteren kann der Kältegrad dadurch verbessert werden, dass der Arbeitsmittelkreislauf und der Kältemittelkreislauf mittels zweier Wärmetauscher thermisch gekoppelt sind. In Folge dessen ist es möglich, auf den jeweils geeigneten Temperaturniveaus, Abwärme des einen Prozesses in den anderen Prozess einzukoppeln, so dass eine interne Wärmerückgewinnung zwischen dem Arbeitsmittelkreislauf und dem Kältemittelkreislauf stattfindet .
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, die Kolbenmaschine als Dampfmaschine oder als Dampfmotor ausgebildet sein kann. Der Dampfmotor kann als Expansions- oder Verdrängungsmaschine arbeiten. Welcher der genannten Kolbenmaschinen im Einzelfall der Vorzug gegeben wird, hängt von den am Markt verfügbaren Bauformen und Leistungen ab.
Um die Leistung des Arbeitsmittelkreislaufs zu erhöhen, kann weiter vorgesehen sein, dass die Kolbenmaschine zwei oder mehr Kolben und Zylinder aufweist. Abmessungen und Zahl der Kolben und Zylinder hängen naturgemäß von der benötigten Antriebsleistung für den Kolbenverdichter ab.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die warme Seite des ersten Wärmetauschers zwischen einem Auslass der Kolbenmaschine und dem ersten Kondensator angeordnet ist und wenn die kalte Seite des ersten Wärmetauschers zwischen dem Verdampfer und einem Einlass des Kolbenverdichters angeordnet ist.
Dadurch ist es möglich, die in dem Arbeitsmittel beim Austritt aus der Kolbenmaschine noch vorhandene Wärme auf das Kältemittel zu übertragen. Dies bedeutet gleichzeitig, dass die am ersten Kondensator des Arbeitsmittelkreislaufes abzuführende Wärme verringert wird und somit auch der erste Kondensator kleiner dimensioniert werden kann.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen dem Austritt der Kondensatpumpe und dem Solarkollektor des Arbeitsmittelkreislaufs einerseits sowie dem Austritt aus dem Kolbenverdichter und dem Eintritt in den zweiten Kondensator des Kältemittelkreislaufs andererseits ein zweiter Wärmetauscher vorgesehen, so dass auch hier die im Kältemittel nach der Verdichtung vorhandene thermische Energie bei dem geeigneten Temperaturniveau auf das Arbeitsmittel übertragen werden kann.
Beide Wärmetauscher können sowohl einzeln als auch in Kombination miteinander eingesetzt werden. Es versteht sich von selbst, dass durch den Einsatz von zwei Wärmetauschern und zwei internen Wärmerückgewinnungen der Kältegrad besser ist als wenn nur ein Wärmetauscher eingesetzt wird.
Um die Einkopplung solarer Energie zu ermöglichen und zu vereinfachen, ist der erste Verdampfer als Solarkollektor ausgebildet. Dabei können verschiedenste Bauarten herkömmlicher thermischer Solarkollektoren, wie beispielsweise konzentrierende oder nicht konzentrierende Kollektoren, eingesetzt werden. Auch können Vakuumflachkollektoren oder Vakuumröhrenkollektoren eingesetzt werden, je nach Temperatur des Arbeitsmittels.
Auch die Verwendung von sogenannten Heatpipes ist möglich. Wichtig ist jedoch, dass in dem Solarkollektor das Arbeitsmittel verdampft und, sofern ausreichend Strahlungsleistung vorhanden ist, das verdampfte Arbeitsmittel überhitzt wird.
Selbstverständlich können anstatt der Solarkollektoren auch andere Wärmequellen wie zum Beispiel industrielle Abwärme mit ähnlichem Temperaturniveau auf diese Weise genutzt werden.
Am Einlass der Kolbenmaschine ist ein erstes Steuerventil vorgesehen und am Auslass der Kolbenmaschine ist ein zweites Steuerventil vorgesehen. Durch Steuern des ersten Steuerventils ist es, wie bei jeder Dampfmaschine, möglich, das unter Druck stehende Arbeitsmittel im Wechsel in einen ersten Arbeitsraum und in einen zweiten Arbeitsraum der Kolbenmaschine strömen zu lassen. Dadurch wird die oszillierende Bewegung des Kolbens der Kolbenmaschine hervorgerufen. Um das nach wie vor unter relativ hohem Druck stehende Arbeitsmittel am Auslass der Kolbenmaschine weiter nutzen zu können, ist das zweite Steuerventil vorgesehen. Dieses Steuerventil wird so angesteuert, dass derjenige Arbeitsraum, der nicht mit unter hohen Druck stehendem Arbeitsmittel aus dem Solarkollektor beaufschlagt wird, mit einem Kondensator beziehungsweise einem ersten Wärmetauscher hydraulisch in Verbindung steht.
Das zweite Steuerventil ermöglicht es auch, die Kolbenmaschine hermetisch zu betreiben und den Austritt von Arbeitsmittel in die Umgebung zu verhindern.
Als mögliche Kältemittel haben sich R 245, R 345 und Propan erwiesen .
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen genannten Vorteile können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Zeichnungen
Es zeigen:
Figur 1 das Verfahrensschema,
Figur 2 den Temperaturbereich der beiden Kreisläufe,
Figur 3 den Druckbereich der beiden Kreisläufe,
Figur 4 den Arbeitsmittelkreislauf, Figur 5 den Kältemittelkreislauf,
Figur 6 die Kombination beider Kreisläufe,
Figur 7 eine Kolbenmaschine mit zwei Arbeitskolben und direkt gekoppeltem Kolbenverdichter und
Figur 8 eine Kolbenmaschine mit zwei Membranen zum Antrieb eines Verdichterkolbens.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Figur 1 stellt ein Flussdiagramm der erfindungsgemäßen solarbetriebenen Kältemaschine dar. Die erfindungsgemäße Kältemaschine weist einen Arbeitsmittelkreislauf und einen Kältemittelkreislauf auf.
Der Arbeitsmittelkreislauf umfasst einen Solarkollektor, in dem ein Arbeitsmittel verdampft und überhitzt wird. Dies bedeutet, dass der Solarkollektor die Funktion eines Verdampfers in einem herkömmlichen rechtsgängigen Kreisprozess übernimmt.
Im Anschluss an den Verdampfer beziehungsweise den Solarkollektor wird eine Kolbenmaschine mit dem unter Druck stehenden Arbeitsmittel beaufschlagt und erzeugt dabei mechanische Energie. Das aus der Kolbenmaschine austretende Arbeitsmittel wird in einem Kondensator kondensiert und mit Hilfe einer nicht dargestellten Kondensatpumpe dem Solarkollektor wieder zugeführt.
Auf der rechten von Figur 1 ist der Kältemittelkreislauf schematisch dargestellt. In dem Kältemittelkreislauf wird mit Hilfe eines Verdampfers das unter niedrigem Druck befindliche Arbeitsmittel verdampft. Die dazu erforderliche Wärme wird dem zu kühlenden Medium entnommen.
Anschließend wird das verdampfte Kältemittel in einem Kolbenverdichter auf einen höheren Druck gebracht. Gleichzeitig erhöht sich dadurch die Temperatur des Kältemittels so weit, dass das Kältemittel Wärme an die Umgebung oder an ein anderes Medium abgeben kann. Dieser Vorgang findet in einem Kondensator statt.
Um das kondensierte und noch unter hohem Druck stehende Kältemittel dem Verdampfer wieder zuführen zu können, ist ein nicht dargestelltes Expansionsventil vorgesehen.
Diese rechts- und linksläufigen Kreisprozesse sind aus dem Stand der Technik bekannt. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, in dem Arbeitsmittelkreislauf eine Kolbenmaschine einzusetzen und diese Kolbenmaschine möglichst direkt, das heißt ohne Getriebe oder Kurbeltrieb, mit einem Kolbenverdichter zu koppeln. Des Weiteren wird an zwei Stellen der Kreisläufe Wärme vom Arbeitsmittel auf das Kältemittel beziehungsweise vom Kältemittel auf das Arbeitsmittel übertragen. Durch diese interne Wärmerückgewinnung kann der Kältegrad der erfindungsgemäßen Kältemaschine deutlich angehoben werden.
Da die Wärmeübertragung stets nur von einer höheren Temperatur auf eine niedrigere Temperatur möglich ist, muss der Temperaturhub des Kältemittelkreislaufs größer sein als derjenige des Arbeitsmittelkreislaufs. In Figur 2 ist beispielhaft der Temperaturhub eines Arbeitskreislaufs dargestellt. Dieser Temperaturhub kann beispielsweise zwischen 45°C und 600C liegen, wenn das Arbeitsmittel im Solarkollektor nicht überhitzt wird. Bei einer Überhitzung des Arbeitsmittels kann die Temperatur im Solarkollektor auch höher werden. Da der Arbeitskreislauf im Betrieb eine Temperatur von 45°C nicht unterschreitet, der Kältekreislauf jedoch im Bereich des Verdampfers Temperaturen beispielsweise von etwa O0C aufweist, ist es möglich, vom Kondensator des Arbeitsmittelkreislaufs Wärme in den Verdampfer des Kältemittelkreislaufs einzukoppeln.
Somit genügt die erfindungsgemäße solare Kältemaschine den Hauptsätzen der Thermodynamik.
Zur Vervollständigung sind in Figur 3 die Druckbereiche, in denen innerhalb derer das Arbeitsmittel und das Kältemittel arbeiten dargestellt. Daraus wird deutlich, dass das Arbeitsmittel mit Drücken zwischen 3 bar und 5 bar durch den Arbeitsmittelkreislauf strömt, während das Kältemittel als Minimaldruck 0,5 bar und als Maximaldruck 7 bar aufweist.
Es versteht sich von selbst, dass die Temperaturen und Drücke, wie sie anhand der Figuren 2 und 3 beispielhaft dargestellt wurden, abhängig sind von den eingesetzten Arbeitsmitteln und Kältemitteln. Durch die Wahl geeigneter Arbeitsmittel und Kältemittel kann die erfindungsgemäße solar Kältemaschine an spezielle Arbeitsbereiche und Betriebsbedingungen angepasst werden.
In Figur 4 ist der Arbeitsmittelkreislauf im Detail dargestellt. Der Arbeitsmittelkreislauf umfasst einen Solarkollektor 1, der über eine Leitung (ohne Bezugszeichen) mit einem Einlass 3 einer Dampfmaschine 5 verbunden ist .
Die Dampfmaschine 5 umfasst einen Zylinder 7 in dem ein doppeltwirkender Kolben 9 oszilliert. Die Oszillationsbewegung des Kolbens 9 ist durch einen Doppelpfeil 11 angedeutet. Der Kolben 9 teilt den Innenraum des Zylinders 7 in einen ersten Arbeitsraum 13 und einen zweiten Arbeitsraum 15.
Ein Auslass 17 der Dampfmaschine 5 ist mit einem ersten Kondensator 19 über eine weitere Leitung (ohne Bezugszeichen) verbunden. In dem ersten Kondensator 19 wird dem Arbeitsmittel Wärme Qab entzogen, so dass das Arbeitsmittel kondensiert und mit Hilfe einer Kondensatpumpe 20 erneut dem Solarkollektor 1 zugeführt werden kann.
Am Einlass 3 der Dampfmaschine 5 ist ein erstes 3/2-Wege- Steuerventil vorgesehen. In der in Figur 4 dargestellten ersten Schaltstellung verbindet das erste Steuerventil 23 den Solarkollektor 1 mit dem ersten Arbeitsraum 13. Durch die Expansion des ersten Arbeitsraums 13 bewegt sich der Kolben 7 nach rechts und verringert das Volumen des zweiten Arbeitsraums 15.
Am Auslass der Dampfmaschine 5 ist ein zweites Steuerventil 25 vorgesehen, das in der in Figur 4 dargestellten ersten Schaltstellung den Auslass 17 und damit den zweiten Arbeitsraum 15 der Dampfmaschine 5 mit dem Kondensator 19 verbindet .
Wenn der Kolben an dem in Figur 4 rechten Ende seines Hubs angekommen ist, ist das Volumen des zweiten Arbeitsraums 15 minimal. Nun werden das erste Steuerventil 21 und das zweite Steuerventil 23 in ihre zweite Schaltstellung gesteuert, so dass nunmehr das unter Druck stehende Arbeitsmittel aus dem Solarkollektor 1 in den zweiten Arbeitsraum 15 strömt und den Kolben 7 in Figur 4 nach links bewegt. Dadurch wird das in dem ersten Arbeitsraum 13 befindliche Arbeitsmittel dem Kondensator 19 zugeführt wird.
Durch das Umschalten des ersten Steuerventils 21 und des zweiten Steuerventils 23 von ihrer jeweils ersten Schaltstellung in die jeweils zweite Schaltstellung kann, wie bei jeder Dampfmaschine bereits seit langem bekannt, die Bewegungsrichtung des Kolbens 7 umgekehrt werden und die dadurch gewünschte oszillierende Bewegung erzeugt werden. Selbstverständlich wäre es möglich, bei Bedarf an die Bewegung des Kolbens 7 mit einem Kurbeltrieb zu versehen und somit eine Schwungscheibe anzutreiben. Dies ist jedoch in der Regel nicht erforderlich, da es möglich ist, auf Grund der mit Hilfe einer Kolbenstange 25 das erste Steuerventil 21 und das zweite Steuerventil 23 anzusteuern. Die Ansteuerung der Steuerventile 21 und 23 ist in Figur 4 nicht dargestellt, jedoch sind aus dem Bereich der Dampfmaschinentechnik verschiedenste Konzepte bekannt, mit deren Hilfe die Bewegung des Kolben 7 zur Steuerung der Steuerventile 21 und 23 genutzt werden kann.
Die Ansteuerung der Steuerventile 21 und 23 ist in Figur 4 nicht dargestellt, jedoch sind aus dem Bereich der Dampfmaschinentechnik und Drucklufttechnik verschiedenste Konzepte bekannt, mit deren Hilfe die Bewegung des Kolbens 9 zur Steuerung der Steuerventile 21 und 23 genutzt werden kann. Auch elektrische und pneumatische Ansteuerungen sind üblich.
Selbstverständlich wäre es möglich, bei Bedarf den Kolben 9 mit einem Kurbeltrieb zu versehen und somit eine Schwungscheibe anzutreiben. Dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, der mechanische Aufwand wird dadurch vergrößert. Bei größeren Maschinen oder bei Konstruktionen mit mehreren Zylindern kann eine Schwungscheibe jedoch vorteilhaft sein.
In Figur 5 ist nun ein Kältemittelkreislauf dargestellt, der in der erfindungsgemäßen solaren Kältemaschine eingesetzt werden kann. Zentrales Bauteil dieses Kältemittelkreislaufes ist ein Kolbenverdichter 27 mit einem Zylinder 29 in dem ein Kolben 31 oszilliert. An dem Kolben 31 ist eine Kolbenstange 33 montiert ist.
Der Zylinder 29 und der Kolben 31 begrenzen einen Arbeitsraum 35. Auf einer Saugseite des Kolbenverdichters ist ein als Rückschlagventil ausgebildetes Einlassventil 37 vorgesehen, während an einer Förderseite des Kolbenverdichters 27 ein ebenfalls als Rückschlagventil ausgebildetes Auslassventil 39 vorgesehen ist.
Wenn der Kolben 31 in eine oszillierende Bewegung (siehe den Doppelpfeil 11) versetzt wird, fördert er ein Kältemittel von einem zweiten Verdampfer 41 in einen zweiten Kondensator 43. Gleichzeitig werden dabei Druck und Temperatur des Kältemittels im Kolbenverdichter 27 erhöht. Das Verdichtungsverhältnis des Kolbenverdichters 27 muss so gewählt sein, dass das Kältemittel beim Eintritt in den zweiten Kondensator 43 eine ausreichend hohe Temperatur hat, um Wärme entweder an einen anderen Wärmeträger oder die Umgebung abgeben zu können. Dabei kondensiert das Kältemittel im zweiten Kondensator 43.
Handelsübliche Kälteerzeuger arbeiten gewöhnlich mit gebläseunterstützten Kondensatoren für das Kältemittel. Das bedeutet neben dem Verbrauch von elektrischer Energie gleichzeitig eine Lärmbelästigung. Das beschriebene Verfahren der Erfindung ermöglicht es, den Kondensator des Kältemittels großflächig auszubilden und im Schatten des oder der Solarkollektoren aufzustellen.
Anschließend gelangt das kondensierte Kältemittel zu einem Expansionsventil 45 und wird dort auf einen niedrigen Druck, von beispielsweise 0,5 Bar, expandiert. Dadurch sinkt die Temperatur des Kältemittels. Wenn das entspannte und auf niedriger Temperatur befindliche Kältemittel in den zweiten Verdampfer 41 gelangt, kann es bei relativ niedriger Temperatur von beispielsweise 0° C Wärme QZu aufnehmen und verdampft .
In Figur 6 sind der Arbeitsmittelkreislauf gemäß Figur 4 und der Kältemittelkreislauf gemäß Figur 5 zu einer erfindungsgemäßen solaren Kältemaschine verbunden. Bei der erfindungsgemäßen solaren Kältemaschine werden nicht nur die Dampfmaschine 5 und der Kolbenverdichter 27 mechanisch gekoppelt, sondern mit Hilfe eines ersten Wärmetauschers 47 und eines zweiten Wärmetauschers 49 werden der
Arbeitsmittelkreislauf und der Kältemittelkreislauf thermisch gekoppelt .
Die mechanische Kopplung erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel direkt über die Kolbenstange 25 der Kolbenmaschine 5 und die Kolbenstange 33 des Kolbenverdichters 27. Diese direkte Kopplung von Dampfmaschine 5 und Kolbenverdichter 27 ist naturgemäß nahezu verlustfrei und führt dazu, dass eine gesonderte Leistungsregelung für den Arbeitsmittelkreislauf und den Kältemittelkreislauf nicht erforderlich ist.
Der Arbeitsmittelkreislauf und der Kältemittelkreislauf sind mit Hilfe des ersten Wärmetauschers 47 und des zweiten Wärmetauschers 49 auch thermisch gekoppelt.
Wie jeder Wärmetauscher haben der erste Wärmetauscher 47 und der zweite Wärmetauscher 49 eine sogenannte warme Seite und eine kalte Seite. Die warme Seite wird von dem Medium durchströmt, welches sein Wärmeenergie an das durch die kalte Seite strömende Medium abgibt.
Beim ersten Wärmetauscher 47, der zwischen dem Auslass 17 der Dampfmaschine 5 und dem Kondensator 19 angeordnet ist, gibt das Arbeitsmittel Wärme an das zwischen dem Austritt aus dem zweiten Verdampfer 41 und dem Eintritt in den Kolbenverdichter 27 befindliche Kältemittel ab. In der Klimatechnik wird für diese Übertragung von Wärmeenergie am Eintritt des Verdichters der Begriff „Sauggasüberhitzung" verwandt .
Das Arbeitsmittel hat beim Austritt aus der Dampfmaschine 5 eine Temperatur von etwa 45°C, während das Kältemittel beim Austritt aus dem zweiten Verdampfer eine Temperatur von etwa xx°C aufweist. Diese Temperaturdifferenz ist ausreichend groß, um die Wärme vom Arbeitsmittel auf das Kältemittel übertragen zu können.
Der zweite Wärmetauscher 49 ist mit seiner warmen Seite zwischen dem Austritt aus dem Kolbenverdichter 27 und dem Eintritt in den zweiten Kondensator 43 angeordnet. Die kalte Seite des zweiten Wärmetauschers 49 ist zwischen dem Austritt aus der Kondensatpumpe 20 und dem Eintritt in den Solarkollektor 1 angeordnet. Dadurch ist es möglich, Wärme vom Kältemittel auf das Arbeitsmittel zu übertragen und somit die Eintrittstemperatur des Arbeitsmittels in den Solarkollektor 1 anzuheben und einen großen Teil des Arbeitsmittels zu verdampfen.
Durch den Einsatz der beiden Wärmetauscher 47 und 49 wird der Energiebedarf bei gleicher Kälteleistung verringert und die erfindungsgemäße solare Kältemaschine wird, gleiche Solareinstrahlung vorausgesetzt, leistungsfähiger.
Es versteht sich von selbst, dass der Kältemittelkreislauf und der Arbeitsmittelkreislauf in ihren Abmessungen und ihrer thermischen Leistungsfähigkeit ebenso aufeinander abgestimmt werden müssen, wie die Dampfmaschine 5 und der Kolbenverdichter 27. Wenn sowohl als Arbeits- als auch als Kältemittel R 245 verwendet wird, kann die solare Kältemaschine bei folgenden Temperaturen und Drücken arbeiten:
Die Druckangaben sind Absolutwerte, d.h. Normaldruck ist 1 bar, Vakuum ist 0 bar.
Selbstverständlich können die Druck und Temperaturangaben bei ausgeführten Anlagen, je nach Anlagenauslegung und Wetterbedingungen, auch von diesen Beispielwerten abweichen
Am Austritt des Solarkollektors 1 ist das Arbeitsmittel dampfförmig und überhitzt. Seine Temperatur beträgt ca 90 °C und sein Druck ca 5 bar.
Am Austritt aus der Dampfmaschine 5 ist das Arbeitsmittel noch dampfförmig bei einer Temperatur von ca 600C und einem Druck von ca 3 bar.
Im ersten Wärmetauscher 47 gibt das Arbeitsmittel einen Teil seiner Wärmeenergie an das Kältemittel ab und wird zu Sattdampf mit ca 45°C und 3 bar.
Im ersten Kondensator 19 gibt der Sattdampf weitere Wärmeenergie ab und kondensiert vollständig.
Das Kondensat wird mit Hilfe der Kondensatpumpe 20 auf einen Druck von 5 bar gebracht und in den zweiten Wärmetauscher 49 gefördert
Im zweiten Wärmetauscher 49 nimmt das Arbeitsmittel Wärme auf und strömt mit einer Temperatur von 600C wieder dem Solarkollektor 1 zu.
Damit ist der Arbeitsmittelkreislauf geschlossen.
Im Kolbenverdichter 27 wird gasförmiges Kältemittel von 0,5 bar auf 7 bar verdichtet. Die Temperatur steigt dabei von 300C auf 800C; es bleibt gasförmig. Über eine Leitung strömt es dem zweiten Wärmetauscher 49 zu. Dort kühlt es sich bei gleichbleibendem Druck auf 600C ab und wird zu Nassdampf.
Über eine Leitung strömt es zu einem zweiten Kondensator 43 und gibt bis zur vollständigen Kondensation Wärme an die Umgebung ab. Die Temperatur des Kältemittels am Austritt aus dem zweiten Kondensator 43 ist von der Umgebungstemperatur abhängig und liegt etwa bei 45°C.
Von dort fließt das Kältemittel zum Expansionsventil 45 und expandiert auf 0,5 bar.
Das Expansionsventil muss in seiner Charakteristik den Verdampfungsdruck von 0,5 bar sichern und ist das einzige Regelorgan im Kreislauf.
Die Expansion des Kältemittels führt zu einer Abkühlung des Kältemittels auf etwa 0° C bei Sattdampfzustand. Im zweiten Verdampfer 41 kann das Kältemittel Wärme aufnehmen . Der zweite Verdampfer 41 ist der Kälteerzeuger für die Klimatisierung, indem Wärme aus der Umgebung oder von einem zu kühlenden Wärmeträger aufgenommen wird.
Das kalte Arbeitsmittel strömt über eine Leitung in den ersten Wärmetauscher 47 und wird dort zu überhitztem Dampf mit einer Temperatur von etwa 300C. Von dort wird es über eine Leitung in den Kolbenverdichter gesaugt. Damit ist der Kältemittelkreislauf geschlossen.
Gewöhnlich ist bei Wärmekraftmaschinen die Energiemenge verloren, welche zum Verdampfen des Arbeitsmediums notwendig ist.
Bei Dampfmaschinen und Dampfturbinen muß deshalb bei jedem Wechsel des Aggregatzustandes die Verdampfungsenergie aufgebracht und die Kondensationsenergie abgeführt werden. Bei Kälteerzeugern muß die Energie auf der warmen Seite, also ebenfalls die Kondensationsenergie, abgeführt werden. Das beschriebene Verfahren ermöglicht es, im Wärmetauscher 49 die Kondensationsenergieaus dem Kältemittelktreislauf zur Verdampfung des Arbeitsmittels zu verwenden und die Kondensationsenergiedes Arbeitsmittels im Wärmetauscher 47 zu zur Überhitzung des Kältemittels zu verwenden. Diese Überhitzung des Kältemittels erhöht ohne zusätzlichen Aufwand an mechanischer Energie die Temperatur auf der warmen Seite des Kältemittelktreislaufs, was eine wesentliche Steigerung des Wirkungsgrades bedeutet und somit die Nutzung von thermischer Solarenergie zur Kälteerzeugung möglich macht.
Die Steigerung des Wirkungsgrades bzw. des Kältegrades ist dadurch begrenzt, dass im Kältemittelkreislauf ein höherer Druck- und Temperaturhub herrscht als im Arbeitsmittelkreislauf .
Dies hat zur Folge, dass auch der Massenstrom des Kältemittels kleiner sein muss als der Massenstrom des Arbeitsmittels .
Es gilt näherungsweise bei einem Betrieb bei dem die Arbeitsmaschine als reine Verdrängungsmaschine arbeitet:
Mi*dpi = M2*dp2
wobei
Mi der Massenstrom des Arbeitsmittels, M2 der Massenstrom des Kältemittels, dpi der Druckhub des Arbeitsmittels und dp2 der Druckhub des Kältemittels ist.
Die durch die Differenz des Massenstromes verursachte Leistungsminderung und der Wirkungsgradverlust kann durch den Einsatz zweier verschiedener Kältemittel zum Teil ausgeglichen werden. Das Arbeitsmittel auf der Seite des Arbeitskreislaufes muss dabei eine möglichst niedrige spezifische Verdampfungsenergie aufweisen, das Kältemittel auf der Seite des Kältekreislaufes eine möglichst hohe.
Es ist zum Beispiel möglich auf der Arbeitsseite Propan einzusetzen und R 245 auf der Kälteseite einzusetzen.
Propan hat eine spezifische Verdampfungsenergie von 18 KJ/mol während R 245 eine spezifische Verdampfungsenergie von 28 KJ/Mol aufweist.
Als Arbeitsmittel oder als Kältemittel können weiterhin eingesetzt werden: R 365; R 227; R 134 und Mischungen dieser Kältemittel.
Möglich ist auch die Verwendung des Kältemittels R 365 mit 17 KJ/mol als Arbeitsmittel.
Bei der Verwendung zweier verschiedener Arbeits-/Kältemittel ist dafür zu sorgen, dass keine Vermischung im Bereich des Verdichters stattfindet. Es kann eine Trennmembran oder eine Magnetkupplung zwischen dem Antrieb und dem Verdichter verwendet werden.
In Figur 7 ist ein Ausführungsbeispiel einer Dampfmaschine 5 mit zwei Kolben schematisch dargestellt. Dadurch ist es möglich, bei gleichem Kolbendurchmesser die Kraft der Dampfmaschine 5 zu verdoppeln. Die beiden Kolben 9 wirken auf die gleiche Kolbenstange 25, die, wie schon bei dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel, mit der Kolbenstange 33 des Kolbenverdichters 27 gekoppelt ist.
Das erste Steuerventil 21 und das zweite Steuerventil 23 sind nach wie vor 3/2-Wegeventile . Allerdings sind die Anschlüsse und die Schaltstellungen etwas anders als bei den Steuerventilen 21 und 23 gemäß Figur 6.
Das erste Steuerventil 21 hat, wie das zweite Steuerventil 23 auch, einen Einlass 51, der mit dem Solarkollektor 1 verbunden ist. Des Weiteren haben die Steuerventile 21 und 23 je einen ersten Auslass 53, der mit dem ersten Wärmetauscher 47 verbunden ist (nicht dargestellt) . Ein zweiter Auslass 55 des ersten Steuerventils 21 ist mit den zweiten Arbeitsräumen 15 der Dampfmaschine 5 verbunden.
Ein zweiter Auslass 57 des zweiten Steuerventils 23 ist mit den ersten Arbeitsräumen 13 der Dampfmaschine 5 verbunden. Durch wechselseitiges Betätigen des ersten Steuerventils 21 und des zweiten Steuerventils 23 ist es nun möglich, in gleicher Weise wie bei der Dampfmaschine 5 gemäß Figur 6 die Kolben 9 in eine oszillierende Bewegung, die durch den Doppelpfeil 11 angedeutet wird, zu versetzen.
Wegen der Kopplung der Dampfmaschine 5 mit dem Kolbenverdichter 27 wird dadurch gleichzeitig auch der Kolbenverdichter 27 betätigt und das Kältemittel in der gewünschten Weise verdichtet.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 8 sind die Kolben 9 als Membranen 59 ausgebildet. Dies bedeutet, dass sie dichtend mit dem Zylinder 7 einerseits und der Kolbenstange 25 verbunden sind. Die Membran 59 trennt beide Kreisläufe nach Außen und gegeneinander hermetisch ab.
Die Membrane 59 sind flexibel, so dass beispielsweise wenn über den zweiten Auslass 57 des zweiten Steuerventils 23 unter Druck stehendes Arbeitsmittel in die ersten Arbeitsräume 13 gelangt, die Membranen sich so verformen, dass sie in Figur 8 nach rechts ausweichen und, wegen ihrer starren Verbindung mit der Kolbenstange 25 dabei die Kolbenstange 25 nach rechts bewegen.
Bei der Bewegung der Kolbenstange von 25 und 33 von links nach rechts wird die Verdichtungsarbeit im Kolbenverdichter 27 verrichtet, so dass hier eine größere Kraft erforderlich ist, als beim Rückhub des Kolbens 31, währenddessen lediglich Kältemittel in den Kolbenverdichter 27 angesaugt wird. Deshalb ist es auch ausreichend, wenn bei dem
Ausführungsbeispiel gemäß Figur 8 nur ein zweiter Arbeitsraum 15 vorhanden ist, der über den zweiten Auslass 55 des ersten Steuerventils 21 mit Arbeitsmittel aus dem Solarkollektor 1 gefüllt werden kann. Durch Befüllen des zweiten Arbeitsraums 15 werden der Rückhub des Kolbens 31 und das Ansaugen des Kältemittels in den Kolbenverdichter 27 vorgenommen.
Ein Raum 61, der zwischen der in Figur 8 rechts angeordneten Membran 59 und dem Kolbenverdichter 27 angeordnet ist, hat eine nicht dargestellte Verbindung zur Umgebung, so dass während des Verdichtungshubs des Kolbens 31 des Kolbenverdichters 27 sich in dem Raum 61 kein Druck aufbaut. Es wäre jedoch auch möglich, diesen Raum 61 dicht abzuschließen und das in diesem Raum befindliche Gas als Gasfeder einzusetzen. Diese Gasfeder unterstützt dann den Saughub des Kolbens 31 des Kolbenverdichters 27.
Die Variante gemäß Figur 8 kann vorteilhafterweise dann eingesetzt werden, wenn das Arbeitsmittel und das Kältemittel verschieden sind und ein Vermischen der beiden Kältemittel im Bereich der Dampfmaschine 5 und des Kolbenverdichters 27 vermieden werden soll .
Eine besondere Stellung bei der Erfindung nimmt die konstruktive Ausführung der Antriebs- und Verdichtereinheit an. Wie bereits erwähnt sind Expansions- oder Strömungsmaschinen auf dem Markt nicht verfügbar, vor allem die geringen Drücke unter 10 bar, die Temperaturen um 1000C und die kleinen Gas- Volumenströme von weniger als 1000 Litern/Minute setzten hier Grenzen .
Da diese Einheit so einfach wie möglich aufgebaut werden soll, muss das Arbeitsmittel über einen Kolben oder eine Membran direkt auf das zu verdichtende Kältemittel wirken. Übersetzungen oder Getriebe sollen nicht verwendet werden. Die Einheit soll hermetisch sein. Es soll also eine Verdrängungsmaschine auf der Antriebsseite zum Einsatz kommen. Das heiße, gasförmige Arbeitsmittel bewegt durch Verdrängung einen Kolben oder eine Membran auf deren gegenüberliegenden Seite sich das zu verdichtende Kältemittel befindet .
Da der zur Verfügung stehende Druck für den Antrieb kleiner ist als der notwendige Druck des kondensierenden Kältemittels, muss bei einer Verdrängungsmaschine der wirksame Arbeitskolben eine größere Fläche haben als der Kolben des Verdichters.
Geht man von einem maximalen Differenzdruck des Arbeitsmittels von 2 bar aus und von einem maximalen Differenzdruck des Kältemittels von 6,5 bar aus, so muss in diesem Fall das Verhältnis der wirksamen Flächen mindestens 6,5 zu 2 oder höher sein.
Figuren 7 und 8 zeigen eine Einheit mit zwei Arbeitskolben und einem Verdichterkolben, durch die Verbindung der Arbeitskolben entsteht eine Druckübersetzung.

Claims

Patentansprüche
1. Kältemaschine mit einem Arbeitsmittelkreislauf, mit einem Kältemittelkreislauf, wobei der Arbeitsmittelkreislauf eine Arbeitsmaschine, einen ersten Kondensator (19), eine Kondensatpumpe (20) und einen ersten Verdampfer (1) umfasst, wobei der Kältemittelkreislauf einen Kolbenverdichter (27), einen zweiten Kondensator (43), ein Expansionsventil (45) und einen zweiten Verdampfer (41) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsmaschine als Kolbenmaschine (5) ausgebildet ist, dass der Arbeitsmittelkreislauf und der Kältemittelkreislauf mechanisch gekoppelt sind, und dass der Arbeitsmittelkreislauf und der Kältemittelkreislauf mittels eines ersten Wärmetauschers (47) und eines zweiten Wärmetauschers (49) thermisch gekoppelt sind.
2. Kältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsmittelkreislauf und der Kältemittelkreislauf mechanisch direkt miteinander gekoppelt sind.
3. Kältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenmaschine als Dampfmaschine (5) ausgebildet ist.
4. Kältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenmaschine als Dampfmotor ausgebildet ist, und dass der Dampfmotor als Expansions- oder Verdrängungsmaschine ausgebildet ist.
5. Kältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenmaschine zwei oder mehr Kolben (9) und Zylinder (7) aufweist.
6. Kältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die warme Seite des ersten Wärmetauschers (47) zwischen einem Auslass (17) der Kolbenmaschine (5) und dem ersten Kondensator (19) angeordnet ist, und dass die kalte Seite des ersten Wärmetauschers (47) zwischen dem zweiten Verdampfer (41) und einem Einlass (37) des Kolbenverdichters (27) angeordnet ist.
7. Kältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die warme Seite des zweiten Wärmetauschers (49) zwischen einem Auslass (39) des Kolbenverdichters (27) und dem zweiten Kondensator (41) angeordnet ist, und dass die kalte Seite des zweiten Wärmetauschers (49) zwischen der Kondensatpumpe (20) und dem ersten Verdampfer (1) angeordnet ist.
8. Kältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verdampfer als Solarkollektor (1) ausgebildet ist.
9. Kältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Einlass der Kolbenmaschine (5) ein erstes Steuerventil (21) vorgesehen ist.
10. Kältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Auslass der Kolbenmaschine
(5) ein zweites Steuerventil (39) vorgesehen ist.
11. Kältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kältemittel des Arbeitsmittelkreislaufs und/oder als Kältemittel des Kältemittelkreislaufs Propan, R 245 oder R 345 eingesetzt wird.
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