Wärmepumpenvorrichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmepumpenvorrichtung.

Zur Zeit verfügbare Wärmepumpen (WPn) mit einem Kompressor arbeiten mit einem Phasenwechsel, wobei das Arbeitsmedium bei der Verdampfung Wärme aufnimmt und bei der Kondensation Wärme abgibt. Je nach Arbeitspunkt wird dabei Wärme von der Umgebung aufgenommen und auf einem hohen Temperaturniveau abgegeben (Wärmepumpen als Wärmemaschine z. B. zur Raumheizung und/oder Brauchwassererwärmung) oder Wärme an die Umgebung abgegeben und bei einem niedrigen Temperaturniveau aufgenommen (Wärmepumpen als Kältemaschine).

Nach der Wärmeaufnahme im Verdampfer ist in beiden genannten Fällen eine Druckerhöhung des Arbeitsmediums in einer meistens elektrisch betriebenen Pumpe erforderlich.

Wärmepumpen arbeiten in den meisten Fällen nach dem Kaltdampfprozess. Die Arbeitszahl von Wärmepumpen zur Brauchwassererwärmung und Raumheizung liegen hierbei etwa bei 2-3. Die theoretischen Werte für die Arbeitszahlen liegen dabei je nach Temperaturniveau der Warmseite und der Kaltseite und im Bereich Brauchwassererwärmung und Raumheizung bei etwa 6.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wärmepumpenvorrichtung mit verbesserten Arbeitszahlen vorzusehen.

Diese Aufgabe wird durch eine Wärmepumpenvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.

Somit wird eine Wärmepumpenvorrichtung mit einer Zykloneinheit und einer Kolbenmaschine mit einem Zylinderraum vorgesehen. Hierbei wird ein flüssiges Arbeitsmedium in die Zykloneinheit eingespritzt, während dampfförmiges Arbeitsmedium durch die Kolbenmaschine komprimiert wird oder während dampfförmiges Arbeitsmedium in der Kolbenmaschine entspannt.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung bewegt sich das eingespritzte flüssige Arbeitsmedium auf kreisähnlichen Bahnen in der Zykloneinheit. Das flüssige Arbeitsmedium wird somit in der Zykloneinheit gehalten, während dampfförmiges Arbeitsmedium aus dem Zylinderraum in die Zykloneinheit eindringen kann oder von der Zykloneinheit in den Zylinderraum entweichen kann.

Die Erfindung betrifft den Gedanken, dass maximale theoretisch erreichbare Arbeitszahlen zur Erwärmung oder Abkühlung eines Mediums nicht mit dem Kaltdampfprozess, sondern mit einem im Wesentlichen im T-s-Diagramm dreieckigen Zyklus erreicht werden.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Vorteile und Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Darstellung eines T-s-Diagramms,

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung von verschiedenen Wärmepumpentypen,

Fig. 3 zeigt einen schematischen Aufbau einer Wärmepumpe gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Aufbaus einer Zykloneinheit einer Wärmepumpe gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 5 zeigt eine Schnittansicht durch einen Zyklon gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, und

Fig. 6 zeigt eine Darstellung eines T-s-Diagramms gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.

Fig. 1 zeigt ein T-s-Diagramm eines dreieckigen Wärmepumpenzyklus. Hier sind die idealen Prozessverläufe bei einer Wärmepumpe zur Abgabe von Nutzwärme mit dem idealen Kaltdampfprozess (Linie 1-2-3-4-5-6-1 ) und dem Dreieckspro- zess (gestrichelt, 1 -2-6-1 ) gezeigt. Zur Verdeutlichung der Wirkungsprinzipien und zum grundsätzlichen Vergleich der Prozesse genügt an dieser Stelle die Darstellung der idealen Verläufe. Deutlich zu sehen ist der Exergieverlust bei den Prozessen. Als Exergie wird der Anteil der Gesamtexergie eines Systems be- zeichnet, welcher Arbeit verrichten kann, wenn er in das thermodynamische Gleichgewicht mit seiner Umgebung gebracht wird. Dieser Exergieverlust entspricht beim Kaltdampfprozess in etwa der Fläche zwischen den Kurven der Wärmesenke, gepunktet, 6-2, sensible Wärme, und der entsprechenden Kurve des Kaltdampfprozesses 2-3-4-5-6. Hingegen entspricht der Exergieverlust beim Dreiecksprozess der Fläche zwischen den Kurven der Wärmesenke 6-2 und der Kurve des Dreiecksprozesses 2-6. Bei idealem Verhalten des Gegenstromwär- metauschers, der beim Dreiecksprozess die Energie zwischen Arbeitsmedium und dem Wärmeträger der Wärmesenke überträgt, und bei identischem thermischem Kapazitätenstrom der beiden Medien verschwindet der Exergieverlust gänzlich.

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Um einen dreieckigen Kreisprozess vorzusehen, befindet sich der zu erzielende Arbeitszyklus im oder unmittelbar am Nassdampfgebiet des Arbeitsmediums. Der Dreiecksprozess besteht aus einem horizontalen Teilprozess (der Kathete 1 : isotherme Verdampfung oder Kondensation), einem vertikalen Teilprozess (der Kathete 2), (im Idealfall eine reversibel adiabate, also isentrope Verdampfung oder Kondensation) und einem Wärmetauschprozess mit dem abzukühlenden oder zu erwärmendem Medium, der Hypotenuse im Dreieck. Letztgenannter Teilprozess, der als Hypotenuse erscheint, stellt in erster Näherung eine Gerade dar. Thermodynamisch genauer betrachtet, ist die Hypotenuse bei der Annahme von konstanten Wärmekapazitäten und Dichten des Arbeitsmediums, sowie des Mediums, welches die Wärme aufnimmt, eine Exponentialfunktion. Es zeigt sich, dass der Wärmetauschprozess in der Regel zwischen zwei flüssigen Medien ausgeführt wird. Da sehr gute Gegenstromwärmetauscher für flüssige Medien zur Verfügung stehen, ist bei diesem Teilprozess mit einem außerordentlich geringen Exergieverlust zu rechnen.

Die Fläche des Zyklus im T-s-Diagramm ist ein Maß für die mechanische Leistung, die in die Wärmepumpe fließen muss. Da die Fläche des Dreiecks etwa halb so groß ist wie die Fläche des Kaltdampfprozesses, erreicht der Dreiecks- Prozess etwa die doppelte Arbeitszahl im Vergleich zum Kaltdampfprozess.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung von vier verschiedenen Typen von Wärmepumpen. 1 ) Die erste Wärmemaschine 1 mit T _Um g , 2) die zweite Kältemaschine 2 mit T _Nutz < T _Um g , 3) Wärme aus Kälte 3 mit T _Nutz > T _Um g und 4) Kälte aus Wärme 4 mit T _Nutz < T _Um g Q _nutz bezeichnet dabei die Nutzleistung, Q _ab die abgegebene Leistung und ö _z „ die der Maschine zugeführte Leistung. Die Maschinen 3 und 4 sind dabei Wärmespiegel und kommen bei geeigneter Dimensionierung und Auslegung der Temperaturen ohne die Zuführung von mechanischer Energie aus. Q sind Wärmeleistungen, die je nach Pfeilrichtung in die Maschine eingeleitet oder aus der Maschine entnommen werden. W _meCh ist die zugeführte mechanische Leistung. T _Nutz sind die Temperaturniveaus der Nutzleistung, die aus der Maschine entnommen werden oder in die Maschine

abgegeben werden. Je nach Maschinentyp ist diese Temperatur höher oder niedriger als das Niveau der Umgebungstemperatur T _Um g ■ T _ab und T _zu sind Temperaturniveaus, bei denen Leistung aus der Maschine abgeführt oder der Maschine zugeführt werden müssen.

Als Beispiel für einen Wärmespiegel des Typs 4) Kälte aus Wärme sei ein System, bei dem die zugeführte Wärme aus einem Solarkollektor kommt (T _zu = 60°C) und das Niveau der Umgebungstemperatur bei 30°C liege. Mit dem Maschinentyp: Temperaturspiegel Kälte aus Wärme kann die Maschine Kälteleistung auf einem Temperaturniveau bei etwa 5°C liefern. Die Kälteleistung ist betragsmäßig etwa so groß wie die der Maschine zugeführte Wärmeleistung aus dem Kollektor. Die an die Umgebung abgeführte Wärmeleistung besteht aus der Summe des Betrags der Kälteleistung und der Kollektorwärmeleistung, ist also etwa doppelt so groß wie die Kollektorwärmeleistung.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Aufbaus einer Wärmepumpe als Heizung mit Zyklon, Einlassventil V, Kolben, Kolbenstange und Kurbelwelle mit Motor. Auslassventile sind nicht eingezeichnet. Die Wärmepumpenvorrichtung weist eine Kolbenmaschine 10, einen Verdampfer 20, eine Zykloneinheit 30, ein Entspannungsventil 40, mindestens zwei Rückschlagventile 50, einen Vorratsbehälter 60, einen Auffangbehälter 70, ein Auslassventil 80 sowie einen Wärmetau- scher 90, über den Wärme abgegeben werden kann, auf. Bei der Komprimierung des dampfförmigen Arbeitsmediums mittels der Kolbenmaschine 10 wird ein Arbeitsmedium in einer flüssigen Phase in die Zykloneinheit 30 eingebracht. Der komprimierte Dampf kondensiert in das flüssige Arbeitsmedium in der Zykloneinheit 30 hinein. Somit wird eine flüssige Phase während des Kompressionsvor- gangs eingespritzt. Die Zykloneinheit 30 dient dazu, die flüssige Phase aufzunehmen und zu verhindern, dass flüssige Phase in den Zylinderraum eingespritzt wird. Die flüssige Phase wird dabei auf eine Kreisbahn in dem Zyklon eingeschossen und bleibt somit im Zyklon. Im Gegensatz dazu wird die dampfförmige Phase in dem Zylinderraum komprimiert und kondensiert bei steigendem Druck in die flüssige Phase hinein und erwärmt dabei die flüssige Phase. Das nicht durch die flüssige Phase in Anspruch genommene Volumen der Zykloneinheit 30

wirkt mit dem Zylindervolumen 15 der Kolbenmaschine zusammen. Somit erstreckt sich das Zylindervolumen sozusagen in die Zykloneinheit 30 hinein. Mit anderen Worten, das Volumen der Zykloneinheit und das Volumen des Zylinderraumes 15 bilden eine Schnittmenge.

Die Wärmepumpe erreicht bei den gegebenen Temperaturen eine theoretische Arbeitszahl von ca. 11. Die thermische Nutzleistung P _nu t _z wird vorzugsweise über einen Gegenstromwärmetauscher entnommen. Im Verdampfer befindet sich beispielsweise Wasser mit einer Temperatur von 20°C bei einem Druck von 23mbar. Im Vorratsbehälter befindet sich Wasser bei 20°C und einem Druck von 1 bar. Im Auffangbehälter befindet sich Wasser mit beispielsweise 80°C bei 0,5 bar Druck. P _ab ist in diesem Fall aus der Umgebung zugeführte Wärme. Die Angaben 10% und 90% bedeuten, dass sich die Massenströme des Arbeitsmediums an diesem Abzweig beispielsweise im Verhältnis 10 zu 90 aufteilen. Die in Fig. 3 gezeigte Kolbenmaschine weist eine erste Kolbenstellung, d. h. einen oberen Totpunkt OT auf, welcher dadurch definiert ist, dass das im Zylinder umfasste Volumen minimal ist. Die Kolbenmaschine weist eine zweite Kolbenstellung (unterer Totpunkt UT) auf, welche dadurch definiert ist, dass das im Zylinder umfasste Volumen maximal ist.

Fig. 4 zeigt einen schematischen Aufbau der Vorkammer mit einer Zykloneinheit gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Hierbei ist beispielhaft der Aufbau einer Vorkammer für eine erfindungsgemäße Wärmepumpe mit angedeuteter tangentialer Einspritzung des Wärmeträgermediums bzw. des Arbeitsmediums durch das Einlassventil bei beispielsweise 1 bar und 20°C und einen Austritt durch das Auslassventil bei 0,5bar und 80°C gezeigt. Im Zyklon 30 bewegt sich das flüssige Wärmeträgermedium auf Kreisbahnen. Das gasförmige Wärmeträgermedium bzw. das Arbeitsmedium kann im Fall der Kondensation vom Zylinder 10 in den Zyklon 30 und im Fall der Verdampfung vom Zyklon 30 in den Zylinder 10 strömen. Berechnungen und Versuche haben gezeigt, dass die Drehgeschwindigkeit des flüssigen Arbeitsmediums trotz der Reibung der Flüssigkeit an der Zyklonwand auf einem Niveau bleibt, das zur Phasentrennung ausreicht. Ebenso f ührt der Wärmeaustausch des flüssigen Arbeitsmediums mit der Zyk-

lonwand bei geeigneter Dimensionierung der Maschine und Beschichtung der Vorkammerwände nicht zu einer nennenswerten Beeinträchtigung des Prozesses.

Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch einen Zyklon mit Drall gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Nicht eingezeichnete Leitbleche im Zyklon und eine tangentiale Einspritzung des Arbeitsmediums sorgen für einen Drall. Dieser Drall begünstigt eine Vermischung des flüssigen Arbeitsmediums, wodurch sich die durch den Phasenwechsel an der Flüssigkeitsoberfläche übertragene Wärme gleichmäßig auf die flüssige Phase verteilt.

Fig. 6 zeigt ein T-s-Diagramm des neuartigen Prozesses bei unmittelbarer Einspritzung nach dem Ansaugen des Dampfes (1 ) und bei verzögerter Einspritzung (2) gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Die Abbildung zeigt den idealen Prozessverlauf bei Einspritzung unmittelbar nach Dampfansaugung (1 ). Dieser Prozess kann z.B. zur Brauchwassererwärmung verwendet werden. Außerdem wird der Prozess bei verzögerter Einspritzung (2) gezeigt. Letzterer Prozess kann zur Raumheizung verwendet werden: Dampf bei Umgebungstemperatur, z.B. 10°C, wird zunächst durch adiabate Kompression auf z. B. 28°C komprimiert. Dann wird 25°C warmes flüssiges Arbeitsmedium eingespritzt. Bei weiterer Komprimierung setzt die Kondensation und Erwärmung des Arbeitsmedium auf z. B. 40°C ein. Als x-Achse wurde hier die nicht-spezifische Entropie S (Ws/K) gewählt.

Nachfolgend wird die Arbeitsweise der Wärmepumpe detailliert beschrieben.

Prozessart Kondensation: Im unteren Totpunkt (UT, siehe Fig. 3) des Kolbens oder mit einer Verzögerung nach UT wird das flüssige Arbeitsmedium in den Zyklon 30 eingespritzt. Im Zylinder 10 befindet sich der zuvor eingesaugte Dampf. Während der Kolben vom UT bis zum oberen Totpunkt (OT) bewegt wird, wird vom Motor die Hubarbeit in die Wärmepumpe gesteckt. Dabei wird der zuvor eingesaugte Dampf komprimiert und in die zuvor eingespritzte flüssige Phase kondensiert. Im OT wird das erwärmte flüssige Arbeitsmedium ausgestoßen. Ist

das Wärmeträgermedium ausgestoßen, so wird das Auslassventil 50 geschlossen. Während des Rückwegs des Kolbens vom OT zum UT wird der im Verdampfer 20 erzeugte Dampf in den Arbeitsraum 15 des Zylinders eingesogen. Hierzu werden ein oder mehrere Einlassventile geöffnet. Damit ist der Kreislauf geschlossen. Das dargestellte System ist in der grundsätzlichen Bauform sehr einfach aufgebaut. Es benötigt zur Befüllung und Entleerung des Zylinders lediglich ein Einspritzventil und zwei Rückschlagventile.

Prozessart Verdampfung: Im OT wird flüssiges Wärmeträgermedium in den Zylinderraum eingespritzt. Beim Weg des Kolbens vom OT zum UT wird Wärme- trägermedium verdampft und das flüssige Wärmeträgermedium dabei abgekühlt. Im UT wird das flüssige Wärmeträgermedium aus dem Zylinderraum entfernt. Auf dem Weg des Kolbens vom UT zum OT wird der Dampf ausgestoßen und in einem Kondensator kondensiert. Im OT werden die Dampfauslassventile geschlossen. Der Prozess beginnt von vorne.

Eine Maschine, die aus einem höheren Temperaturniveau als das Umgebungsniveau Wärme aufnimmt und aus einem niedrigeren Temperaturniveau als das Umgebungsniveau Wärme aufnimmt, oder eine Maschine, die an ein höheres Temperaturniveau als das Umgebungsniveau Wärme abgibt und an ein niedrigeres Temperaturniveau als das Umgebungsniveau Wärme abgibt, wird hier eben- falls als Wärmepumpe bezeichnet. Die letztgenannten beiden Arten von Wärmepumpen werden als Wärmespiegel bezeichnet, wenn bei einem idealen Prozessverlauf die erreichten Temperaturunterschiede zwischen den Kalt- und den Heißniveaus zum Umgebungsniveau in erster Näherung gleich sind und die umgesetzten Wärmemengen gleich sind.

Als Beispiel einer Verdrängungsmaschine kann eine Kolbenmaschine gewählt werden. Prinzipiell ist jedoch die Verwendung jeglicher Art von Verdrängungsmaschine zur Verwirklichung der Dreiecksprozesse gemäß der Erfindung möglich. Bei der nachfolgend beschriebenen Kolbenmaschine ist die Kolbenstellung oberer Totpunkt, auch OT genannt, dadurch definiert, dass das im Zylinder umfasste Volumen in dieser Kolbenstellung minimal ist. Entsprechend ist der untere Tot-

punkt, auch UT genannt, dadurch definiert, dass das im Zylinder umfasste Volumen in dieser Kolbenstellung maximal ist.

Nachfolgend werden zwei Arten von Dreiecksprozessen in Wärmepumpen beschrieben. In der ersten Art kondensiert Arbeitsmedium im Arbeitsraum (hier: Zylinderraum) der Kompressionsmaschine, in der zweiten Art verdampft Arbeitsmedium im Arbeitsraum (hier: Zylinderraum) der Expansionsmaschine.

Die erste Art des dreieckigen Zyklus zeichnet sich dadurch aus, dass zunächst ein Arbeitsmedium auf Temperaturniveau der Umgebung unter Wärmezufuhr in dem Verdampfer (beispielsweise Verdampfer 20) verdampft wird (Wärmeauf- nähme). Der Dampf wird bei der Expansion, hier bei der Kolbenbewegung vom oberen Totpunkt OT zum unteren Totpunkt UT, in den Zylinder gesogen. Im unteren Totpunkt UT oder zwischen unterem Totpunkt UT und oberem Totpunkt OT wird flüssiges und kaltes Arbeitsmedium in den Zylinderraum eingebracht. Bei der Kolbenbewegung vom unteren Totpunkt UT zum oberen Totpunkt OT kon- densiert der eingeschlossene Dampf in die eingespritzte flüssige und kalte Phase und erwärmt diese. Im oberen Totpunkt OT wird die flüssige Phase aus dem Zylinderraum entfernt. Die erwärmte flüssige Phase kann dann die ihr zugeführte Wärme als Nutzwärme abgeben.

Die zweite Art des dreieckigen Zyklus zeichnet sich dadurch aus, dass im Be- reich des oberen Totpunktes OT flüssiges Arbeitsmedium in die Kolbenmaschine eingebracht wird. Bewegt sich nun der Kolben vom oberen Totpunkt OT zum unteren Totpunkt UT, verdampft ein Teil des Arbeitsmediums und das Arbeitsmedium kühlt sich ab. Ist der Kolben im unteren Totpunkt UT, wird die abgekühlte flüssige Phase aus dem Zylinderraum entfernt und zu Kühlzwecken verwendet.

Voraussetzung für den kontrollierten Phasenwechsel ist bei beiden Zyklusarten, dass den Zylinderraum umfassende Oberflächen eine höhere Temperatur aufweisen als die flüssige Phase; besagte Oberflächen müssen aus diesem Grund ggf. beheizt und/oder beschichtet ausgeführt sein.

Die Kolbenmaschine stellt ein Beispiel für eine diskontinuierlich arbeitende Verdrängungsmaschine dar. Der Dreiecksprozess ist aber auch in anderen Verdrängungsmaschinen umsetzbar. Wichtig für den Prozess ist im Wesentlichen eine isentrope Kompression oder Expansion. Als Beispiel für eine Verdrängungsma- schine sei eine Schraubenmaschine oder ein Scrollverdichter genannt. Dass zur Zeit erhältliche Schraubenmaschinen ein zu geringes Kompressions- bzw. Entspannungsverhältnis aufweisen, sei am Rande bemerkt. Die beiden o. g. Prozesse werden in Verdrängungsmaschinen wie folgt realisiert:

Die erste Art des Zyklus zeichnet sich durch eine Kompression eines Fluids aus, das in zwei Phasen vorliegt. Folglich wird zunächst Dampf in einem Verdampfer erzeugt und von der Kompressionsmaschine angesogen. Vor dem Eintritt des Dampfes in die Kompressionsmaschine oder nach einer Vorverdichtung des Dampfes in der Kompressionsmaschine wird flüssige Phase in den Dampf eingebracht. In der Kompressionsmaschine wird das Gemisch weiter komprimiert. Dabei kondensiert der Dampf in die flüssige Phase hinein. Wird der Dampf vollständig kondensiert, so liegt am Austritt der Maschine nur noch flüssige Phase vor. In diesem Idealfall und bei isentropen Verhältnissen kann der vollständige Dreiecksprozess realisiert werden. Wie bei der Kolbenmaschine gibt das heiße flüssige Medium nach Austritt aus der Maschine seine Wärme als Nutzwärme ab.

Die zweite Art des Zyklus stellt sich im allgemeinen Fall der Expansionsmaschine folgendermaßen dar: flüssiges Arbeitsmedium wird in die Expansionsmaschine eingebracht. Durch die Expansion wird Dampferzeugung erzwungen. Die erforderliche Verdampfungsleistung wird der flüssigen Phase entnommen, wodurch diese abkühlt und nach dem Austritt aus der Maschine zu Kühlzwecken verwen- det werden kann.

Wärmedämmende Beschichtungen der Oberflächen des Arbeitsraumes begünstigen eine isentrope Prozessführung.

Da der Zylinder beheizt ausgeführt ist, wird konvektiv Wärme an das flüssige und das gasförmige Arbeitsmedium abgegeben. Dieser Wärmeübergang ist mit Exer-

gieverlust verbunden und somit für den Prozess schädlich. Da Zylinderwand und Arbeitsmedium teilweise erheblich voneinander abweichende Temperaturen aufweisen, muss der Wärmeübergang durch Maßnahmen verringert werden. Berechnungen und Versuche zeigen in diesem Zusammenhang:

Der Wärmeübergang von der Zylinderwand an das gasförmige Arbeitsmedium ist geringfügig aufgrund der geringen Gasgeschwindigkeiten und der geringen Dichte des Gases.

Der Wärmeübergang von der Zyklonwand an das flüssige Arbeitsmedium wird durch Beschichtung der entsprechenden Zyklonwand mit einem wärmeisolieren- den Material, z.B. Teflon, Keramik oder Email und/oder durch besondere Arten der Einspritzung des Arbeitsmediums auf unschädlichem Niveau gehalten werden.

Zur Einspritzung des flüssigen Arbeitsmediums werden zwei Möglichkeiten vorgesehen:

Das flüssige Arbeitsmedium wird auf eine Kreisbahn in einer Vorkammer des Zylinders eingespritzt. Wir nennen diese Kreisbahn nachfolgend auch Zyklon. Das flüssige Arbeitsmedium verbleibt in der Vorkammer, während sich das gasförmige Arbeitsmedium durch eine überströmöffnung zwischen Vorkammer und Zylinderraum je nach den herrschenden Druckverhältnissen zwischen den Räu- men bewegen kann.

Das flüssige Arbeitsmedium wird beim Einspritzvorgang in möglichst kleine Tröpfchen zerstäubt. Die Tröpfchen verteilen sich im Zylinderraum. Nur Tröpfchen, die in die unmittelbare Nähe der beheizten Oberflächen gelangen, können an diesen Oberflächen Wärme aufnehmen. Da die Wärmeaufnahme mit der Verdampfung der Tröpfchen verbunden ist, steigt der Dampfmassenanteil im Bereich der beheizten Oberflächen und der Dampf an den Oberflächen überhitzt. Der überhitzte Dampf hemmt weitere Flüssigkeitstropfen in der Bewegung in Richtung zu den beheizten Oberflächen, was den Wärmeübergang verringert.

Wichtig bei der Kondensation in das flüssige Arbeitsmedium ist eine gute Verteilung der Kondensationswärme innerhalb der flüssigen Phase.

Im Fall der Einspritzung in den Zyklon führt die reibungsbehaftete Strömung des flüssigen Arbeitsmediums zu dessen vermischtem Zustand. Zusätzlich kann der Zyklon zur Vermischung des Arbeitsmediums eine besondere Bauform aufweisen, die eine Verwirbelung des Arbeitsmediums erlaubt. Wärme, die durch die Kondensation an der Oberfläche der flüssigen Phase abgegeben wird, wird somit aufgrund der Vermischung schnell genug in der gesamten flüssigen Phase verteilt. Der Zyklon hat den Vorteil, dass die Entfernung des flüssigen Arbeitsmedi- ums aus dem Zylinder einfach erfolgen kann: wird ein Auslassventil am Zyklongrund geöffnet, so helfen die Zentrifugalkräfte dabei, das flüssige Arbeitsmedium aus der Vorkammer zu entfernen.

Im Fall der Einspritzung als Sprühnebel stellt die Verteilung der Kondensationswärme kein Problem dar: die Flüssigkeitstropfen können sehr klein gewählt wer- den, so dass die Verteilung der Wärme innerhalb der Tröpfchen durch Wärmeleitung sehr schnell erfolgt. Die Wärmeverteilung innerhalb der Nebelwolke ergibt sich zwangsweise aus Partialdruckunterschieden: die Kondensation ist an der kältesten Stelle immer am größten und führt so zu einem Temperaturausgleich in der Wolke.

Somit betrifft die vorliegende Erfindung den Aufbau und die Funktion einer Wärmepumpe mit einem Phasenwechsel des Arbeitsmediums im Zylinderrraum einer Kolbenmaschine, wobei das Wärmeträgermedium flüssig und verdampfbar ist und in flüssiger Form in den Zylinderraum eingespritzt wird. Somit wird eine Wärmepumpe vorgesehen, bei welcher flüssiges Arbeitsmedium eingespritzt wird.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das flüssige Arbeitsmedium in einen Teilbereich des Zylinderraums der Maschine, nämlich die Vorkammer, eingespritzt. Das Arbeitsmedium bewegt sich in kreisähnlichen Bahnen, wobei das flüssige Wärmeträgermedium aufgrund der hohen Dichte und auf-

grund der dadurch hervorgerufenen Zentrifugalkräfte zum überwiegenden Teil in der Vorkammer gehalten wird, während dampfförmiges Arbeitsmedium in den gesamten Zylinderraum entweichen und vom Zylinderraum in die Vorkammer eindringen kann.

Somit weist die Wärmepumpe einen Arbeitsraum, der aus Zylinderraum und Vorkammer besteht, auf, wobei der Zylinderraum und die Vorkammer in einer Weise miteinander verbunden sind, dass eine überströmung von Dampf möglich ist. Ein verdampfbares Arbeitsmedium wird in flüssiger Form in die Vorkammer eingebracht, wobei das Arbeitsmedium auf eine kreisähnliche Bahn eingebracht wird. Die kreisähnliche Bahn der flüssigen Phase bewirkt Zentrifugalkräfte, welche die flüssige Phase aufgrund der hohen Dichte stark radial beschleunigen. Die radiale Beschleunigung und die bauliche Ausführung des Zyklon bewirken, dass die flüssige Phase nicht aus der Vorkammer austreten kann. Das Volumen der Zyklonvorrichtung (Totraum) sollte bei dem Aufbau möglichst klein sein. Mit anderen Worten, das Volumen zwischen dem Kolben am oberen Totpunkt und dem nicht durch die flüssige Phase benötigten Volumen der Zykloneinheit sollte möglichst klein sein.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung erhält das Arbeitsmedium im Zyklon zusätzlich zur kreisförmigen Bewegung einen Drall, wodurch die Vermischung des Arbeitsmediums verbessert wird. Der Zyklon ist im Querschnitt im Wesentlichen kreisförmig ausgeführt, so dass das Arbeitsmedium mit einem Drall versehen werden kann. Der Drall dient dazu, eine innige Vermischung des Arbeitmediums zu begünstigen und die Ausbildung eines für den Prozesswirkungsgrad schädlichen Temperaturgradienten im Arbeitsmedium zu verhindern.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind die Wände des Zyklons, die mit der flüssigen Phase in Berührung kommen, mit einem schlecht wärmeleitenden Material beschichtet. Zur Verringerung des konvektiven Wärmeübergangs vom flüssigen Arbeitsmedium an die Zyklonwand wird die Zyklonwand mit einer schlecht wärmeleitenden Beschichtung versehen. Diese Beschichtung kann beispielsweise Teflon, Keramik oder Email sein.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird das Arbeitsmedium in flüssiger Form in den Zylinderraum der Maschine eingespritzt, wobei die flüssige Phase mittels einer Einspritzdüse zerstäubt wird. Somit wird eine Wärmepumpe vorgesehen, bei der das flüssige Arbeitsmedium während des Einspritzvorgangs mit- tels einer Einspritzdüse möglichst fein zerstäubt wird.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die dem dampfgefüllten Raum des Zylinders zugewandte Oberfläche des Kolbens mit einem schlecht wärmeleitenden Material beschichtet. Zur Verringerung des konvektiven Wärmeübergangs vom Arbeitsmedium an den Kolben wird die betreffende Oberfläche des Kolbens mit einer schlecht wärmeleitenden Beschichtung versehen. Diese Beschichtung kann beispielsweise Teflon, Keramik oder Email sein.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die mit dem entstehenden Dampf in Berührung kommenden Aufbauteile wie Zyklonwand, Zylinderwand oder Kolben beheizt ausgeführt. Wenn das Gas komprimiert wird, so müssen die der gasförmigen Phase zugänglichen Bauteile der Maschine eine Temperatur besitzen, die größer ist als die Kondensationstemperatur bei dem gerade herrschenden Dampfdruck. Wären die Oberflächen der Bauteile kälter, so würde ein Teil der gasförmigen Phase an diesen Oberflächen schlagartig kondensieren. Die kondensierte Phase würde nicht mehr zur Kondensation ins Ar- beitsmedium bereitstehen, und Leistung und Arbeitszahl der Maschine würden sich verringern.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die Auslassventile im Bereich des oberen Totpunktes geschlossen, worauf der Einlass von Dampf bis zum unteren Totpunkt erfolgt, worauf die Einlassventile geschlossen werden und unmittelbar oder mit einer Verzögerung flüssiges Arbeitsmedium eingespritzt wird, worauf die Komprimierung und Kondensation des Dampfs in die flüssige Phase erfolgt, worauf im oberen Totpunkt das Auslassventil geöffnet wird und damit das Ausstoßen der erwärmten flüssigen Phase erfolgt. Danach beginnt der Zyklus von neuem. Dieser Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Prozess- führung bei der Prozessart Kondensation. Bei der Maschine kann man von einem

Zweitakter sprechen. Im OT werden die Einlassventile für den Dampf geöffnet. Bis zum Erreichen des UT wird Dampf aus dem Verdampfer eingesogen. Im UT werden die Einlassventile geschlossen und unmittelbar oder mit einer Verzögerung flüssiges Arbeitsmedium eingespritzt. Sind der Dampf und das flüssige Arbeitsmittel auf gleicher Temperatur, kann unmittelbar nach dem Schließen der Einlassventile eingespritzt werden. Ist die einzuspritzende flüssige Phase wärmer als die Dampfphase, so wird erst eingespritzt, wenn der im Zylinder befindliche Dampf soweit komprimiert wurde, bis der Druck des Dampfes dem Dampfdruck der flüssigen Phase entspricht. Bei der Bewegung des Kolbens vom UT zum OT wird der Dampf komprimiert, und es setzt Kondensation des Dampfes in die flüssige Phase ein. Im OT wird die flüssige Phase entnommen. Danach werden wieder die Einlassventile geöffnet, womit der Kreislauf geschlossen ist. Während des Prozesses wird das dampfförmige im Zylinder befindliche Arbeitsmedium komprimiert, wobei es an der kältesten Stelle, nämlich in die eingespritzte flüssi- ge Phase kondensiert und dabei die flüssige Phase erwärmt. Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das eingespritzte flüssige Arbeitsmedium auch eine Temperatur aufweisen kann, die geringer ist als die Umgebungstemperatur. In diesem Fall tritt bei der Einspritzung eine schlagartige Reduktion des Dampfdruckes ein. Die Einspritzvariante kaltes Wasser wird beispielsweise beim Wärme- pumpentyp Wärme aus Kälte eingesetzt. Bei geeigneter Temperaturwahl des kalten flüssigen Arbeitsmediums ist ein Betrieb der Wärmepumpe ohne mechanisch zugeführte Antriebsenergie möglich.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die Auslassventile im Bereich des oberen Totpunktes verschlossen, worauf flüssiges Ar- beitsmedium eingespritzt wird, worauf die Expansion beginnt und die Verdampfung aus der flüssigen Phase und dabei die Abkühlung der flüssigen Phase erfolgt, worauf im unteren Totpunkt die flüssige Phase entnommen wird und die Auslassventile für die gasförmige Phase geöffnet werden, worauf bis zum Erreichen des oberen Totpunktes der Ausstoß der gasförmigen Phase erfolgt. An- schließend beginnt der Zyklus von neuem. Dieser Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Prozessführung bei der Prozessart Verdampfung. Im Bereich des oberen Totpunktes (OT) des Kolbens wird das oder die Auslassventile geschlos-

sen und danach das Arbeitsmedium eingespritzt. Auf dem Weg des Kolbens vom OT zum unteren Totpunkt (UT) verdampft ein Teil des Arbeitsmediums. Die einsetzende Verdampfung führt zu einer Abkühlung des flüssigen Arbeitsmediums. Im Bereich des UT wird die flüssige Phase des Arbeitmediums aus dem Zylinderraum entfernt. Auf dem Weg des Kolbens vom UT zu OT wird die entstandene gasförmige Phase durch ein Auslassventil ausgestoßen und in einem Kondensator kondensiert. Ausdrücklich sei darauf hingewiesen, dass das Ausstoßen des Dampfes in den Kondensator auch erfolgen kann, wenn der Kondensatordruck höher ist als der Dampfdruck im Zylinder im UT. In diesem Fall muss der Kolben den im Zylinder befindlichen Dampf zunächst so stark komprimieren, bis der Kondensatordruck erreicht ist. Erst dann wird das Auslassventil geöffnet. Diese Prozessführung betrifft z. B. den Wärmepumpentyp Kälte aus Wärme. Bei geeigneter Temperaturwahl des heißen Wassers ist ein Betrieb der Wärmepumpe ohne mechanisch zugeführte Antriebsenergie möglich.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt das eingespritzte Wärmeträgermedium Wasser dar.