Vorrichtung und Verfahren zum effizienten Oberflächenverdampfen und zum effizienten Kondensieren

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Verdampfen bzw. Kondensieren an O- berflächen und insbesondere auf eine Anwendung des Verdampfens und Kondensierens an Oberflächen in Wärmepumpen.

Eine Flüssigkeitsschicht, wie sie beispielsweise in einem Verdampfer einer Wärmepumpe auftritt, nimmt aufgrund der typischen Schichtung, die bei Flüssigkeiten und insbesondere bei Wasser als Arbeitsflüssigkeit zu beobachten ist, eine Wärmeverteilung ein, die darin besteht, dass im Verdampfer der oberste Abschnitt abgekühlt wird, wäh- rend der untere Abschnitt der Schicht nahezu dieselbe Temperatur der Arbeitsflüssigkeit hat, wie sie von einer Wärmequelle zugeführt wird.

ähnlich verhält sich die Situation bei Kondensierern für Wärmepumpen. Dort tritt der komprimierte und damit aufgeheizte Dampf aus Arbeitsflüssigkeit, wie beispielsweise Wasserdampf, wenn als Arbeitsflüssigkeit Wasser verwendet wird, auf eine „kalte" Flüssigkeitsschicht auf. Dies führt dazu, dass lediglich die Oberfläche der Flüssigkeitsschicht im Kondensierer erwärmt wird, während der untere Abschnitt der Flüssigkeitsschicht im Verdampfer, der nicht direkt mit dem Dampf in Kontakt kommt, nicht erwärmt wird.

Darüber hinaus existiert beim Verdampfer einer Wärmepumpe noch die Problematik, dass der komprimierte und aufgeheizte Dampf überhitzt sein kann, was bedeutet, dass trotz der Tatsache, dass der Dampf auf die aufzuheizende Flüssigkeit trifft, dennoch die Wärmeübertragung vom Dampf in die Flüssigkeit begrenzt ist.

Alle diese Probleme fuhren dazu, dass der Wirkungsgrad beim Verdampfen bzw. beim Kondensieren reduziert wird. Um dennoch eine Wärmepumpe beispielsweise mit ausreichender Leistung zu erzeugen, muss daher die Querschnittsfläche des Verdampfers bzw. muss die Querschnittsfläche des Kondensierers sehr groß gewählt werden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein effizienteres Konzept zum Oberflächenverdampfen bzw. Oberflächenkondensieren zu beschaffen.

Diese Aufgabe wird durch einen Verdampfer gemäß Patentanspruch 1, einen Kondensierer gemäß Patentanspruch 13, eine Wärmepumpe gemäß Patentanspruch 30, ein Verfahren zum Verdampfen gemäß Patentanspruch 31 oder ein Verfahren zum Kondensieren gemäß Patentanspruch 32 gelöst.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Verdampfungspro- zess durch einen Einsatz von Turbulenzgeneratoren auf der Verdampferoberfläche, auf der eine zu verdampfende Arbeitsflüssigkeit anzuordnen ist, erheblich gesteigert werden kann. Die Turbulenzgeneratoren stellen sicher, dass keine Schichtung auf der Arbeits- flüssigkeit auf der Verdampferoberfläche stattfindet. Stattdessen wird die kalte Flüssigkeitsschicht, die die Oberfläche der Arbeitsflüssigkeit auf der Verdampfoberfläche bildet, durch die Turbulenzgeneratoren zerrissen und nach unten gebracht. Gleichzeitig wird die untere wärmere Schicht der Arbeitsflüssigkeit nach oben gebracht, so dass dafür gesorgt wird, dass immer Arbeitsflüssigkeit an der Oberfläche ist, die eine Tempera- tur hat, bei der in Anbetracht des Drucks im Verdampfer, welcher unterhalb des Atmosphärendrucks und vorzugsweise sogar unter 50 mbar liegen wird, eine Verdampfung auftritt. Vorzugsweise ist der Druck so gewählt, dass die Flüssigkeit der unteren Schicht, die durch die Turbulenzgeneratoren nach oben gekehrt wird, die Siedetemperatur der Flüssigkeit ist, die, wie es bekannt ist, mit fallendem Druck ebenfalls abnimmt.

Auf Kondensiererseite wird bei einem Ausführungsbeispiel der Kondensationswirkungsgrad erhöht, indem auf der Kondensiereroberfläche ebenfalls Turbulenzgeneratoren vorgesehen werden und diese Turbulenzgeneratoren führen dazu, dass eine Schichtung der Flüssigkeit auf der Kondensiereroberfläche vermieden wird bzw. ständig durchbrochen wird. Damit wird die obere warme Schicht, die Wärme aus dem Konden- sierungsprozess aufgenommen hat, nach unten gebracht und es wird gleichzeitig kältere Flüssigkeit im Kondensierer nach oben gebracht, um durch den kondensierenden Dampf aufgewärmt zu werden. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist auf Kondensiererseite eine Laminarisierungseinrichtung vorhanden, die ausgebildet ist, um den auf die Arbeitsflüssigkeit gerichteten Dampfstrom zu laminarisieren. Damit wird eine günstige Temperaturverteilung des Dampfes in der Laminarisierungseinrichtung erreicht, so dass eine hohe Kondensierereffizienz erreicht wird, die nahezu unabhängig von der Temperatur ist, mit der der Dampf in den Kondensiererraum eintritt. Dies ist insbesondere bei Wärmepumpen mit Verdichtern von entscheidendem Vorteil, weil typischerweise eine Dampfüberhitzung vorhanden ist, die normalerweise, ohne Verwendung eines Lamina- risierers, zu einer drastischen Reduktion des Kondensiererwirkungsgrads führt, weshalb im Stand der Technik Dampfkühler eingesetzt werden. Alle solche Maßnahmen sind aufgrund des Laminarisierers nicht mehr nötig, weil der Laminarisierer automatisch ein

Temparaturprofil erzeugt, das zu einem optimalen Wirkungsgrad fuhrt. Bei einem Ausfuhrungsbeispiel werden auf Kondensiererseite sowohl Turbulenzgeneratoren als auch ein Laminarisierer eingesetzt, was zu einer weiteren Erhöhung des Kondensiererwirkungsgrads fuhrt.

Gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel betrifft die vorliegende Erfindung einen Verdampfer mit einer Verdampferoberfläche, die mit Turbulenzgeneratoren versehen ist, so dass ein Wasserstrom auf der Verdampferoberfläche Turbulenzen aufweist, die vorzugsweise wenigstens 20% der gesamten Wasserströmung umfassen.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel betrifft die vorliegende Erfindung einen Kondensierer in einem Kondensiererraum, wobei der Kondensiererraum eine Laminarisie- rungseinrichtung aufweist, um einen auf eine Flüssigkeitsoberfläche im Kondensierer gerichtete Gasströmung zu laminarisieren, wobei der Laminarisierer ausgebildet ist, um ausgangsseitig einen Gasstrom zu erzeugen, der wenigstens halb so turbulent ist wie ein Gasstrom, der in den Laminarisierer eingespeist wird, wobei der Kondensierer mit Turbulenzgeneratoren versehen ist, so dass ein Wasserstrom auf der Kondensiereroberfläche Turbulenzen aufweist, die vorzugsweise wenigstens 20% der gesamten Wasserströmung umfassen.

Die vorliegende erreicht mit einfachsten Maßnahmen eine erhebliche Erhöhung des Verdampfungs- Wirkungsgrades und des Kondensierer- Wirkungsgrades, wobei diese Erhöhung entweder dazu eingesetzt werden kann, um einen Verdampfer bzw. Kondensierer mit höherer Leistung herzustellen. Alternativ wird es jedoch bevorzugt, diese sub- stantielle Wirkungsgraderhöhung dazu einzusetzen, einen Verdampfer und einen Kondensierer wesentlich kleiner und kompakter auslegen zu können, wobei dennoch eine bestimmte Leistung erreicht wird. Dies ist insbesondere für eine Anwendung in einer Wärmepumpe zur Gebäudeheizung für kleinere und mittlere Gebäude von großem Vorteil, weil in Gebäuden, und insbesondere in Wohngebäuden der Platz typischerweise limitiert ist. Darüber hinaus führt eine Reduktion der Größe aufgrund der reduzierten Materialmenge und der einfacheren Handhabbarkeit während der Herstellung zu einer erheblichen Kosteneinsparung, was insbesondere für den Einsatz in Wärmepumpen von großer Bedeutung ist, die in großen Stückzahlen hergestellt werden können und für den einzelnen Bauherrn preislich vertretbar sein müssen. Gleichermaßen können Turbulenz- generatoren und Laminarisierer mit einfachsten Mitteln implementiert werden, wobei durch die einfachen Maßnahmen auf sämtliche elektronische/elektrische Dinge verzichtet werden kann.

Bevorzugte Ausfiihrungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgen Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Kondensierer bzw. Verdampfer mit Turbulenzgene- ratoren in Form eines einfachen Maschendrahtzauns.

Fig. 2 eine Wabenstruktur zur Implementierung eines Laminarisierers im Kondensierer;

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine turbulente Arbeitsflüssigkeit in einem Kondensierer unter einem Verdampfer;

Fig. 4a eine schematische Darstellung eines Verdampfers mit einem Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4a eine schematische Darstellung eines Kondensierers gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 ein übersichtsdiagramm zur Darstellung eines Verflüssigers mit einer Gas- entfernungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden

Erfindung;

Fig. 6a eine Skizze zur Darstellung der Funktionalität der Gasentfernungsvorrichtung an einem erfindungsgemäßen Kondensierer;

Fig. 6b eine detaillierte Darstellung der Gasentfernungsvorrichtung;

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Wärmepumpe mit einem Verdampfer gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und/oder ei- nem Kondensierer gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 8a eine Draufsicht auf einen bevorzugten Verdampfer bzw. Kondensierer;

Fig. 8b ein Längsschnitt eines bevorzugten Verdampfers;

Fig. 9a eine Draufsicht auf einen Verdampfer bzw. Kondensierer gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 9b eine schematische Querschnittsdarstellung eines Verdampfers bzw. Kondensierers gemäß einem Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 10a einen Querschnitt durch einen Laminarisierer gemäß einem Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 10b eine Darstellung der Temperatur entlang des Wegs in einer Laminarisiererzel- Ie des Laminarisierers.

Erfindungsgemäß wird auf Verdampferseite und/oder auf Kondensiererseite eine Einrichtung zum Erzeugen von Wirbeln vorgesehen. Diese Wasserwirbelerzeugungsein- richtung, die eine Vielzahl von sog. „Vortex generators" 40, wie sie in Fig. 4a und Fig. 4b gezeigt sind, aufweisen kann, führt dazu, dass der Wasserstrom 41, der zu einer Flüssigkeitsschicht auf einem trichterförmigen Verdampfer 42 oder einem trichterförmigen Kondensierer 43 fuhrt, über die Vortex generators oder „Wirbelerzeuger" läuft. Dies führt dazu, dass der Wasserstrom, aus dem heraus verdampft werden soll bzw. in den hinein kondensiert werden soll, ständige einer Verwirbelung unterzogen wird. Damit wird die untere Schicht des Wasserfilms dauernd mit der oberen Schicht des Was- serfilms vermischt.

Für sog. Vortex generators können verschiedene Materialien verwendet werden, wie beispielsweise ein Maschendrahtzaun, wie er schematisch in Fig. 1 gezeichnet ist. Dieser Maschendrahtzaun ist im Wasserstrom angeordnet, und zwar so, dass der Draht ein Hindernis für den Wasserstrom darstellt und dauernd zu einer Teilung des Flusses und gewissermaßen zu einer „Umfaltung" und damit zu einer Wirbelerzeugung in der Wasserschicht fuhrt.

Der in Fig. 1 gezeigte Maschendraht, der auch als „Hasendraht" bekannt ist, hat Turbu- lenzzellen mit einem Durchmesser zwischen 0,5 mm bis 3 mm und vorzugsweise von 1 mm, wobei der Abstand dieser Turbulenzzellen etwa gleich dem einfachen bis zehnfachen des Durchmessers einer Turbulenzzelle bzw. eines Vortex generators ist.

Es sei darauf hingewiesen, dass beliebige andere Vortex generators eingesetzt werden, wie beispielsweise auf den trichterförmigen Verdampfer angeordnete Pyramiden, die den Wasserstrom gewissermaßen „aufschneiden" und „umklappen", so dass Wasser vom unteren Bereich des Flüssigkeitsfilms nach oben und umgekehrt gebracht wird. Damit wird sichergestellt, dass auf Verdampferseite, die in Fig. 4a skizziert ist, dauernd

„wärmeres" Wasser auf die Verdampferoberfläche gebracht wird und kälteres Wasser, also Wasser, das seine Energie bereits abgegeben hat, nach unten gemischt wird.

Dies führt bei einer Wärmepumpe zu einer ganz erheblichen Leistungssteigerung. Wur- de ohne Vortex generator eine Verdampfungsleistung von vielleicht 1 bis 4kW/m ² erreicht, also eine Verdampfungsleistung pro Verdampferfläche, so wird diese Verdampfungsleistung außerordentlich erhöht, nämlich in einen Bereich von 60 bis 300 kW/m ² , wobei bereits mit einfachen Vortex Generatoren, wie sie beispielsweise in Fig. 1 mit der „Maschendrahtvariante" gezeigt sind, typischerweise 100kW/m ² erreicht werden. Die Durchmischung, wie sie durch den Vortex generator 40 erreicht wird, führt also zu einer Zerstörung der Schichtung auf dem trichterförmigen Verdampfer und analog dazu auch auf dem trichterförmigen Kondensierer.

Obgleich darauf hingewiesen worden ist, dass die Vortex generator sowohl im Ver- dampfer als auch im Kondensierer eingesetzt werden können, kann die Kondensiererleistung auch ohne Vortex generator 40 vergrößert werden, wenn ein Gasstrom- Laminarisierer 48 eingesetzt wird. Ein solcher Gasstrom-Laminarisierer kann beispielsweise durch ein wabenförmiges Material in der Form einer Bienenwabe, wie es z.B. in Fig. 2 gezeigt ist, erreicht werden. So hat sich gezeigt, dass bei einer Wabenzelle mit einem Durchmesser von 3mm und einer Wabenlänge von 8mm bereits eine Gas- strom-Laminarisierung erreicht wird, was dazu führt, dass der Gasstrom 49, wie er aus dem Laminarisierer 48 austritt, eine laminare Strömung ist. Der Kondensierer- Wirkungsgrad dieser laminaren Strömung ist wesentlich höher im Vergleich zu einer Situation, bei dem der nicht-laminarisierte Gasstrom auf den Flüssigkeitsfüm des trich- terförmigen Kondensierers trifft. Dies liegt darin, dass damit überhitzungseffekte im Gas, das vom Komprimierer in den Kondensierer, wie er in Fig. 4b gezeigt ist, zugeführt wird, abgefangen werden können.

So ist der Gradient der Temperatur als Funktion des Ortes im Falle einer nicht- laminaren Strömung an der Flüssigkeitsoberfläche sehr groß. Durch die erfindungsgemäße Laminarisierung der Gasströmung wird jedoch ein kleinerer Gradient direkt an der Flüssigkeitsoberfläche erreicht. Damit passen die energetischen Verhältnisse des Gases besser zu den energetischen Verhältnissen der Flüssigkeit, so dass die Effizienz des Kondensierungsprozesses erheblich gesteigert wird.

Vorzugsweise wird die Laminarisierungseinrichtung zusammen mit den Wirbelgeneratoren 40 verwendet, um eine noch höhere Kondensiererleistung zu erreichen. Jedoch

auch ohne Wirbelgenerator auf Kondensiererseite bzw. ohne Laminarisierer 48 auf Kondensiererseite wird bereits die Effizienz nachhaltig erhöht.

Erfindungsgemäß wird es jedoch bevorzugt, auf Kondensiererseite sowohl die Wirbel- generatoren 40 in der Flüssigkeitsschicht, also auch den Laminarisierer 48 zum Lamina- risieren der Strömung des Gases einzusetzen. Damit können Kondensiererleistungen erreicht werden, die bis zu 100 Mal höher sind als Kondensiererleistungen ohne Wirbelgeneratoren und/oder Laminarisierer.

In Fig. 1 ist, wie es bereits ausgeführt worden ist, als Wirbelgeneratoren ein Drahtgeflecht gezeigt, das von Wasser umströmt ist, was dazu führt, dass in der Arbeitsflüssigkeit, die nicht unbedingt Wasser sein muss, jedoch vorzugsweise Wasser ist, eine Turbulenzerzeugung auftritt. Dies führt zu einer sehr gleichmäßigen Temperaturverteilung im abfließenden Fluidstrom. Bei einer laminaren Strömung, also ohne das Drahtgeflecht als Beispiel für Turbulenzerzeuger, findet dagegen nur eine Abkühlung an der Oberfläche statt.

Die in Fig. 2 gezeigte Wabenstruktur zur Laminarisierung der Gasströmung dient dazu, dass ein sanfterer Temperaturgradient zur Fluidoberfläche erreicht wird. Damit ergibt sich eine statistisch höhere Wahrscheinlichkeit, Moleküle mit der passenden Energiemenge zum Kondensieren an der Oberfläche vorzufinden. Wird dagegen ein turbulenter Gasstrom, wie er üblicherweise aus einem Komprimierer, und insbesondere einen Turboverdichter geliefert wird, verwendet, entsteht dagegen ein extrem steiler Temperaturgradient und das Kondensieren wird dadurch stark behindert.

Fig. 3 zeigt ein turbulentes Wasser (Fluid) auf einem Kondensierer, um die Kondensiererleistung zu steigern.

Eine Anordnung einer Vorrichtung, die auch als Gasfalle 50 bezeichnet ist, in dem Verflüssiger 51 eine Wärmepumpe ist in Fig. 5 gezeigt. Insbesondere zeigt Fig. 5 einer Wärmepumpe, bei der der Verflüssiger oberhalb eines Verdampfers angeordnet ist, obgleich diese Anordnung nicht unbedingt verwendet werden muss, um eine Gasfalle zu implementieren. Der Wasserdampf tritt über einen ersten Gaskanal 52 in einen Verdichter 53 ein und wird dort verdichtet und über einen zweiten Gaskanal 54 ausgestoßen. Das dort ausgestoßene Gas, also der komprimierte und damit heiße Wasserdampf wird vorzugsweise durch eine erfindungsgemäße Laminarisierungseinrichtung 55, die z.B. bienenwabenförmig oder auf andere Art und Weise ausgeführt sein kann, auf ein Kondensiererwasser gerichtet, das über einen Kondensiererwasserkanal 56 über einen teller-

förmigen bzw. trichterförmigen Kondensiererablauf 57 zur Seite hin abläuft. Es sei darauf hingewiesen, dass der Kondensiererablauf 57 typischerweise rotationssymmetrisch ist und vorzugsweise mit einem erfindungsgemäßen Turbulenzgenerator 58 versehen ist, um die Kondensierereffizienz zu erhöhen.

Fremdgase, die durch den Verdichtermotor 53 vom Verdampfer angesaugt werden, werden aufgrund der Gasströmung durch den Laminarisierer 55 auf das Kondensiererwasser 56 gerichtet, das über dem Turbulenzgenerator 58, der beispielsweise in Form eines Maschendrahts ausgebildet sein kann, von der Mitte kommend zur Seite hin ab- läuft. Es hat sich gezeigt, dass Fremdgase durch das Kondensiererwasser zwischen dem Laminarisierer 55 und der Kondensiererwasseroberfläche seitlich abtransportiert wird.

Damit sich die Fremdgase in der Nähe der Gasfalle 50 anreichen, ist eine Dichtlippe 59 vorgesehen, die den unteren Gasbereich 60 von dem oberen Gasbereich 61 trennt. So muss die Dichtlippe 59 nicht unbedingt eine vollständige Abdichtung liefern. Sie stellt jedoch sicher, dass das durch das Kondensiererwasser auf dem Kondensierer 57 transportierte Fremdgas sich unterhalb des Kondensiererablaufs 57 im Bereich 60 anreichert. Die Fremdgase fallen, da sie schwerer als Wasserdampf sind, in die Gasfalle 50 aufgrund der Schwerkraft. Gegen die Schwerkraft wirkt jedoch ein Diffusionsprozess, da- hingehend, dass auch die Fremdgase in dem Bereich 60 und in der Gasfalle dieselbe Konzentration haben wollen. Dieser Diffusionsprozess wirkt daher der Schwerkraftwirkung der Gasfalle entgegen. Dies ist jedoch relativ unproblematisch, da die Anreicherung des Fremdgases nunmehr nicht mehr in dem Bereich stattfindet, wo die Kondensierung stattfindet, sondern unterhalb des Ablaufs 57. Durch die Dichtlippe 59 wird verhindert, dass sich die Konzentrationen im Bereich 60 und im Bereich 61 auf den selben Wert einstellen. Damit wird die Konzentration des Fremdgases im Raum 60 immer höher sein als im Raum 61, und es wird eine gute Einfangwirkung für Fremdgase in der Gasfalle 50 stattfinden.

Die Wirkung der Dichtlippe 59, die den Bereich oberhalb des Verflüssigerablaufs bzw. des Verflüssigertrichters 57 von dem Bereich unterhalb dieses Elements 57 trennt, wird dadurch verstärkt, dass die Laminarisierungseinrichtung 55 vorhanden ist, da damit die Fremdgase, sobald sie auf den Wasserstrom 56 auf dem Verflüssigerablauf 57 auftreffen, nicht mehr weggehen können, sondern gewissermaßen gezwungen werden, in Rich- tung der Dichtlippe und unter der Dichtlippe hindurch zu laufen, um sich in der Nähe der Gasfalle 50 anzureichern. Dieses Verhalten wird durch den Turbulenzgenerator 58 noch verstärkt, da dadurch eine turbulentere Strömung vorhanden ist, die ebenfalls eine

höhere Effizienz hat, um Fremdgas, das im oberen Bereich 61 ist, gewissermaßen einzu- fangen und mitzutragen.

Fig. 6a zeigt eine Prinzipdarstellung der Funktionalität, die anhand der Wärmepumpe bzw. des Wärmepumpen- Verflüssigers 51 von Fig. 5 dargestellt worden ist. In Fig. 6a ist besonders hervorgehoben, wie der Raum 260 unterhalb des Ablaufs 57 durch die Dichtlippe 59 von dem oberen Bereich 61 getrennt wird. Diese Trennung muss, wie es auch in Fig. 6a deutlich zu sehen ist, nicht hermetisch sein, solange eine höhere Wahrscheinlichkeit existiert, dass Fremdgase dem turbulenten Wasserdampf, der durch den Laminarisierer 55 jedoch laminarisiert worden ist, wie es durch Pfeile 69 dargestellt ist, mit einer höheren Wahrscheinlichkeit dem Weg in den unteren Bereich 60 folgen, wie er durch einen Pfeil 68 angedeutet ist, und zwar im Vergleich zur Wahrscheinlichkeit, dass die Fremdgase wieder in den oberen Bereich 61 eintreten. Damit wird im Bereich 60 eine Anreicherung an Fremdgasen stattfinden, so dass die Diffusionswirkung gewis- sermaßen aus der Gasfalle 50 heraus reduziert ist und die Effizienz der Gasfalle nicht wesentlich beeinträchtigt ist.

Je nach Implementierung wird es bevorzugt, die Gasfalle ähnlich zu Figur 6b auszubilden. Zu diesem Zweck hat die Gasfalle einen relativ langen Hals 70, der sich zwischen den Sammelbehälter 71 und einem vorzugsweise vorhandenen Einlassbereich 72, der trichterförmig sein kann, erstreckt. Wesentlich ist jedoch nicht die Länge des Halses 70, sondern dass zumindest der untere Teil des Sammelbehälters 10 in einem kalten Bereich, wie beispielsweise dem Verdampfer 2 der Wärmepumpe angeordnet ist. Dies bedeutet, dass warmer Wasserdampf aus dem Bereich 60 des Verflüssigers mit einer kalten Oberfläche des Sammelbehälters 1 in Verbindung tritt, was zu einer Kondensierung des Wasserdampfes führt. Damit ergibt sich eine dauernde Wasserdampfströmung in den Trichter 72 entlang des Halses 70 in den Sammelbehälter hinein, da der Wasserdampf im Bereich 60 an der kalten Wand des Sammelbehälters der im Verdampfer 2 angeordnet ist, kondensiert. Die sich daraus ergebende Strömung in die Gasfalle hinein dient einerseits dazu, auch Fremdgase mit in den Sammelbehälter zu tragen, und dient gleichzeitig dazu, in dem Sammelbehälter Wasser anzusammeln, das dann durch die Druckerzeugniseinrichtung 1 in Form einer Heizspirale erhitzt werden kann, um den Dampfausstoß zu bewirken. Vorzugsweise ist auch an der Trichteröffnung eine Lamina- risierungseinrichtung 73, wie beispielsweise in Form einer bienenwabenförmigen Struk- tur angeordnet, um die Effizienz der Gasfalle zu verbessern.

Besonders günstig ist die bevorzugte Ausführungsform des Anordnens einer Wand des Sammelbehälters 10 in dem Verdampfer, bzw. allgemein gesagt, an einer kalten Stelle

des Systems implementierbar, wenn die Wärmepumpe so ausgebildet ist, dass der Verflüssiger oberhalb des Verdampfers angeordnet ist. In diese Implementierung reicht der Hals 70 durch den Verflüssiger nach unten hindurch bis in den Verdampfer, um eine kalte Kondensationswand zu schaffen, die einerseits zu einem dauernden Gasstrom in die Gasfalle führt und die andererseits immer dafür sorgt, dass Wasser in der Gasfalle vorhanden ist, das erhitzt werden kann, um den Druck in dem Sammelbehälter zu vergrößern, derart, dass zu bestimmten Ereignissen ein Fremdgasausstoß stattfinden kann.

Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung einer Wärmepumpe zur Gebäudeheizung. Die Wärmepumpe zur Gebäudeheizung ist vorzugsweise so ausgelegt, dass Einfamilienhäuser oder kleinere Mehrfamilienhäuser geheizt werden können. Vorzugsweise soll die Wärmepumpe zur Gebäudeheizung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gedacht sein, um kleinere Wohngebäude mit weniger als 10 Wohneinheiten und vorzugsweise weniger als 5 Wohneinheiten zu heizen. Die Wärmepumpe umfasst einen Verdampfer mit einem Verdampfergehäuse 42' mit Turbulenzgeneratoren. Der im Verdampfer erzeugte Dampf wird über eine Dampfleitung 100 einem Verdichter 102 zugeführt. Der Verdichter 102 komprimiert den Dampfund fuhrt den komprimierten Dampf über eine Dampfleitung für komprimierten Dampf, die mit 104 bezeichnet ist, in einen erfindungsgemäßen Kondensierer mit einem Kondensierergehäuse 43', der entweder Turbulenzgeneratoren oder einen Laminarisierer oder vorzugsweise beide Einrichtungen aufweist, um ein effizienteres Kondensieren zu erzeugen. Der Verdampfer erhält die zu verdampfende Flüssigkeit über eine Zuleitung 106, und der Kondensierer führt die kondensierte Flüssigkeit über eine Ableitung 108 ab. Darüber hinaus hat der Kondensierer 43 einen Vorlauf 110a mit Temperaturen beispielsweise im Be- reich von 40° für eine Fußbodenheizung und einen Rücklauf 110b von der Gebäudeheizung. In dem Heizkörper, wie beispielsweise der Fußbodenheizung oder einem Wandheizungselement, kann dieselbe Flüssigkeit wie im Kondensierer fließen, ohne dass ein Wärmetauscher vorgesehen ist. Alternativ kann jedoch auch ein Wärmetauscher vorgesehen sein, so dass der Vorlauf 110a und der Rücklauf 1 10b zu einem in Fig. 7 nicht gezeigten Wärmetauscher gehen und nicht in einen tatsächlichen Heizkörper gehen. Die Ablaufleitung 108 kann im Falle eines offenen Systems in ein offenes Wasserreservoir führen, wie beispielsweise das Grundwasser, Meerwasser, Sole, Flusswasser, etc. Genauso kann in einem solchen offenen System die Zuleitung 106 aus Grundwasser, Meerwasser, Flusswasser, Sole etc. kommen. Alternativ kann auch ein geschlossenes System eingesetzt werden, wie es durch die gestrichelten Verbindungslinien zu einem Verbindungselement 110 angedeutet ist. In diesem Fall stellt das Verbindungselement 110 sicher, dass die im Kondensierer kondensierte Flüssigkeit wieder in den Verdampfer eingespeist wird, wobei entsprechende Druckunterschiede berücksichtigt werden.

Ferner sei darauf hingewiesen, dass im Falle eines halboffenen Systems die Flüssigkeit 106 in der Zulaufleitung zwar Wärme aus dem Grundwasser trägt, jedoch nicht Grundwasser ist, wobei in diesem Fall ein Wärmetauscher in einem Grundwasserreservoir angeordnet ist, um die dann zirkulierende Flüssigkeit in der Leitung 106, die dann als Hin- und Rückleitung ausgeführt ist, aufzuwärmen, damit die von dem Grundwasser übertragene Wärme über den Wärmepumpenprozess in den Heizungs- Vorlauf HOa gebracht wird.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Arbeitsflüssigkeit im Verdampfer und im Kondensierer Wasser. Alternativ können jedoch auch andere Arbeitsflüssigkeiten eingesetzt werden, wie beispielsweise speziell für Wärmepumpen vorgesehene Wärmeträgerflüssigkeiten. Wasser wird jedoch aufgrund seiner besonderen Eignung für den Prozess bevorzugt. Ein weiterer erheblicher Vorteil von Wasser ist, dass es klimaneutral ist.

Um Wasser bei Temperaturen von etwa 10°C zu verdampfen, ist der Verdampfer 42 mit einem Verdampfergehäuse versehen, das ausgebildet ist, um einen Druck in dem Verdampfer zumindest in der Umgebung der Verdampferoberfläche zu halten, bei dem das in der Zuleitung 106 zulaufende Wasser verdampft. Wenn Wasser als Arbeitsflüssigkeit verwendet wird, werden Drücke im Verdampfer unter 30 mbar und sogar im Bereich unter 10 mbar liegen.

Auf Kondensiererseite werden Drücke bei mehr als 40 mbar und unter 200 bzw. 150 mbar liegen. Insofern ist ein Kondensierergehäuse ausgebildet, um diese entsprechenden Drücke zu halten. Drücke, die zu Kondensationstemperaturen von 30° C oder darunter oder 22° C oder darunter werde bevorzugt.

Fig. 8A zeigt eine Draufsicht auf einen Verdampfer bzw. Kondensierer mit Drahtab- schnitten als Turbulenzgeneratoren, und Fig. 8B zeigt einen Längsschnitt des Verdampfers, welcher analog hierzu auch der Kondensierer sein könnte, wenn entsprechende Vorlauf/Rücklaufleitungen etc. berücksichtigt werden und die Kondensiererflüssigkeit nicht extern zugeführt und abgeführt wird, sondern zirkulieren würde.

Der Verdampfer umfasst eine Verdampferoberfläche bzw. Kondensiereroberfläche 80, auf der Turbulenzgeneratoren 40 angeordnet sind. Die Turbulenzgeneratoren 40 sind einzelne Drahtabschnitte, die zusammen z.B. als Spirale 82 ausgebildet sind. Gleichzeitig könnten die Turbulenzgeneratoren auch als voneinander getrennte mehr oder weni-

ger konzentrische Drahtringe ausgebildet sein, allerdings ist die Verwendung einer Spirale in der Handhabung und Montage einfacher. Vorzugsweise sind in Flussrichtung der Arbeitsflüssigkeit, die mit den symbolischen Pfeilen 83 angedeutet ist, benachbarte Drahtabschnitte 84a, 84b, welche jeweils einen Durchmesser d haben, um einen Ab- stand Dd beabstandet, wobei der Abstand D _d größer als der Durchmesser d eines Drahtabschnitts und vorzugsweise kleiner als das dreifache des Durchmessers ist. Obgleich die Drahtabschnitte in Fig. 8A mit kreisförmigen Querschnitt gezeichnet sind, kann der Querschnitt der Drahtabschnitte beliebig sein.

Fig. 8B zeigt im Längsschnitt einen trichterförmigen Verdampfer bzw. Kondensierer bzw. eine trichterförmige Verdampferoberfläche bzw. Kondensiereroberfläche 80. Auf dieser Oberfläche 80 sind die Drahtabschnitte direkt befestigt. Alternativ können die Drahtabschnitte jedoch auch beabstandet sein, solange eine relative Positionierung der Turbulenzgeneratoren 40 zu der Oberfläche 80 geschaffen wird, die so ist, dass sie auf der Oberfläche 80 vorhandene Arbeitsflüssigkeit mit den Turbulenzgeneratoren Eingriff nimmt, damit Turbulenzen entstehen.

Die Oberfläche 80 sowohl für den Verdampfer als auch für den Kondensierer ist vorzugsweise so geformt, dass die Arbeitsflüssigkeit, die über einen Arbeitsflüssigkeitszu- lauf 86 zugeführt wird, auf der Oberfläche 80 nicht nur steht, was der Fall wäre, wenn die Oberfläche komplett waagerecht wäre und ein nahezu nicht vorhandener Zufluss vorhanden wäre, sondern dass die Arbeitsflüssigkeit auf der Oberfläche aufgrund der Schwerkraft fließt. Zu diesem Zweck umfasst die Oberfläche 80 zumindest eine schiefe Ebene. Vorzugsweise ist die Oberfläche trichterförmig und die Zuflussöffnung 86 ist zentral bzw. so bezüglich der Arbeitsoberfläche angeordnet, dass die Arbeitsflüssigkeit nicht nur auf einer Seite bezüglich der Zufuhröffnung abfließt, sondern zu allen Seiten hin abfließt. Alternativ wäre jedoch ebenfalls eine Implementierung für bestimmte Anwendungen verwendbar, bei der z.B. eine ebene Fläche vorhanden ist, die als schiefe Ebene angeordnet ist und bei der am höchsten Punkt der Zulauf 86 angeordnet ist, so dass die Arbeitsflüssigkeit nicht auf mehreren Seiten des Zulaufs ist, sondern im Wesentlichen in einem begrenzten Sektor, wie beispielsweise 30°, 60° oder 90° bezüglich des Zulaufs auf der Oberfläche fließt, um dort mit den Turbulenzgeneratoren 40 Eingriff zu nehmen.

Alternativ kann die Arbeitsoberfläche auch pyramidenförmig oder kegelförmig oder im Querschnitt uneben bzw. gekrümmt sein, solange in der Arbeitsposition des Verdampfers bzw. Kondensierers die Arbeitsflüssigkeit einen Höhenunterschied von der Schwerkraftwirkung bewältigt.

Fig. 9A und 9B zeigen eine Draufsicht auf eine alternative Oberfläche 80 eines Verdampfers oder Kondensierers, bei dem keine Drahtabschnitte wie in Fig. 8A vorhanden sind, sondern Erhöhungen oder Vertiefungen in der Arbeitsoberfläche vorhanden sind. In Fig. 9B sind lediglich Erhöhungen gezeigt. Allerdings werden die Vertiefungen ähnlich, aber gewissermaßen „negativ" zu den gezeigten Erhöhungen implementiert sein. Die Turbulenzgeneratoren 40 stehen aus der Oberfläche hervor oder sind bezüglich der Oberfläche zurückgesetzt, also gewissermaßen „Löcher" in der Oberfläche 80, wobei vorzugsweise die Turbulenzgeneratoren 40 so stark über die Oberfläche vorstehen, dass sie zumindest mit ihrer Spitze über einen Stand der Arbeitsflüssigkeit 41 auf der Oberfläche 80 vorstehen. Ferner können die Turbulenzgeneratoren 40 beliebige Formen haben, wie es in Fig. 9B angedeutet ist. Je abrupter die Formen sind, umso mehr „Strudel" bzw. Turbulenzen werden erzeugt. Gleichzeitig können die Turbulenzgeneratoren aber auch ausgebildet sein, um mit speziellen Formen ein „Teilen" und „Umfalten" des Was- serflusses zu erreichen.

Außer den dargestellten Implementierungen können die Turbulenzgeneratoren auch z.B. durch in die Arbeitsflüssigkeit hineinragende Elemente, wie beispielsweise Stäbe etc. implementiert werden, die nicht mit der Oberfläche 80 fest verbunden sind, sondern z.B. oberhalb der Oberfläche 80 aufgehängt sind. Diese Stäbe können, je nach Implementierung auch bewegt werden, um besonders starke Turbulenzen zu erzeugen. Turbulenzen können somit auf viele verschiedene Arten und Weisen erzeugt werden, wobei Turbulenzgeneratoren, um diese Turbulenzen zu erzeugen, mit der Arbeitsoberfläche 80 fest verbunden sein können oder aber auch statisch oder dynamisch relativ zur Arbeits- Oberfläche positioniert werden, solange, vorzugsweise, mindestens 20% der gesamten Wasserströmung mit Turbulenzen versehen werden. Bei speziellen Ausführungsbeispielen wird es bevorzugt, soweit als möglich nahezu die gesamte Arbeitsoberfläche des Verdampfers bzw. Kondensierers mit Turbulenzgeneratoren zu versehen, so dass zwischen 90% und nahezu 100 % der gesamten Strömung turbulent sind bzw. auf die Flä- che der Oberfläche 80 bezogen, mehr als 80% bzw. mehr als 90% der Flüssigkeit auf der Oberfläche 80 in Turbulenzen sind.

Fig. 10A zeigt einen Querschnitt durch eine Laminarisierungseinrichtung mit diversen Laminarisierungszellen 120. Oberhalb der Laminarisiererzellen 120 ist turbulenter Dampf mit einer Temperatur 9-Q, wie es schematisch durch die ungerichteten Dampfpfeile 122 angedeutet ist. Unterhalb der Laminarisiererzellen 120 ist jedoch laminari- sierter Dampf 124 dargestellt, der aufgrund der Tatsache, dass er nahe an der Flüssigkeit des Kondensierers auf der Kondensiereroberfläche 80 ist, eine Temperatur von etwa

gleich $w hat. 9w ist niedriger als 9D- Der Verlauf der Temperatur in einer Laminarisie- rerzelle von x=0 bis x=L ist in Fig. 1OB schematisch dargestellt. Es ist ein exponentiel- ler Zusammenhang erkennbar, wobei die Temperatur bei x=0 etwa gleich 9w ist und über einen näherungsweise exponentiellen Zusammenhang bei X=L die Temperatur $D erreicht. Dieser Zusammenhang ist durch eine Ortskonstante K charakterisiert, die in Fig. 1 OB eingezeichnet ist. Damit eine gute Laminarisierung und damit eine gute Temperaturverteilung stattfindet, wird es bevorzugt, die Länge einer Laminarisiererzelle 120 zumindest so groß auszuführen, dass die Länge größer gleich 2K ist.

Darüber hinaus kann bei der vorliegenden Erfindung die Temperatur des ungerichteten Dampfs $ _D viel höher als die Temperatur des Wassers $w sein. Dennoch sind keine Dampfkühler etc. erforderlich, da der Laminarisierer 48 mit den einzelnen Laminarisie- rerzellen 120, die durch Wände 121 voneinander getrennt sind, die in Fig. 10b gezeigte Temperaturverteilung erzwingt. Im Ausführungsbeispiel ist der Laminarisierer waben- förmig oder aus einem Rohrmaterial, solange einzelne mehr oder weniger parallel gerichtete und innen vorzugsweise glatte Laminiererzellen 120 vorhanden sind, die eine Laminarisierung bewirken, wie es durch die gerichtete Dampfströmung 124 dargestellt ist.

Der Laminarisierer muss nicht unbedingt eine perfekte 100%ige Laminarisierung erreichen, solange der Gasstrom am Ausgang des Laminarisierers weniger turbulent als der Gasstrom am Eingang des Laminarisierers ist. Vorzugsweise werden die Laminarisie- rerzellen bzw. wird der Laminarisierer insgesamt so ausgelegt, dass die ausgegebene laminarisierte Dampfströmung wenigstens halb so turbulent wie die eingangsseitige turbulente Dampfströmung ist.

Für die Verwendung in einem Kondensierer für eine mit Wasser als Arbeitsflüssigkeit betriebene Wärmepumpe wird es bevorzugt, dass die Länge einer Laminarisiererzelle 120 etwa 10 mm lang ist, wenn der Durchmesser der Laminarisiererzelle 5 mm beträgt. Je höher der Durchmesser einer einzelnen Zelle ist, umso länger sollte auch die Länge L sein, damit auch bei größeren Durchmessern eine ausreichende Laminarisierung erreicht wird. Gleichzeitig existiert bei kleineren Durchmessern eine untere Grenze der Länge, um zu vermeiden, dass ein Düseneffekt entsteht, der zu einer De-Laminarisierung führen kann. Um den Strömungswiderstand für den Dampf so gering als möglich zu ma- chen, wird es bevorzugt, eine große Laminarisiererfläche vorzusehen und die Dicke der Wände 121 zwischen den Laminarisiererzellen 120 in Fig. 10A so gering als möglich auszugestalten. Vorzugsweise ist die Länge dann, wenn der Durchmesser kleiner als 1 mm ist, länger als 1 mm. Andere günstige Beispielabmessungen lauten: wenn der

Durchmesser größer als 5 mm ist, ist die Länge größer als 10 mm, und wenn der Durchmesser kleiner als 5 mm ist, ist die Länge kleiner als 10 mm.

Um auch bei nicht kompletter Laminarisierung sicherzustellen, dass eine einigermaßen laminarisierte Strömung auf die Flüssigkeit auf der Kondensiereroberfläche auftrifft, wird es bevorzugt, den Abstand D _L zwischen dem Ausgang der Laminarisiererzellen 120 und der Oberfläche der Flüssigkeit relativ klein zu gestalten und insbesondere kleiner als 50 mm, vorzugsweise kleiner als 25 mm oder vorzugsweise kleiner als 6 mm zu machen. Damit wird ebenfalls erzwungen, dass das Gas bzw. die verdampfte Arbeits- flüssigkeit, wenn sie die Laminarisiererzellen 120 verlässt, eine Temperatur hat, die nahezu gleich bzw. nur geringfügig höher ist als die Temperatur des Wassers. Damit wird sichergestellt, dass die in der Strömung befindlichen Dampfteilchen nicht vom Wasser „abprallen" bzw. wiederum dampferzeugend wirken, sondern durch Kondensation in das Wasser aufgenommen werden, da nur so eine besonders effiziente Wärme- übertragung vom Dampf zum Wasser stattfindet.

Der erfindungsgemäße Laminarisierer liefert eine erhebliche Steigerung des Wirkungsgrads beim Kondensieren. Im Stand der Technik ohne Laminarisierer hat der Wirkungsgrad in Leistung pro Fläche stark abgenommen, je höher die Temperatur des Dampfes bezüglich der Temperatur der Kondensiererflüssigkeit ist. So kann man sagen, dass bei einer überhitzung des Dampfes von 10° nur noch 10% Kondensiererleistung möglich war. Dies hat daher zu Kondensiererleistungen von 2 - 3kW pro m ² für ein typisches Oberflächenkondensieren bzw. Verdampfen geführt. Erfindungsgemäß wird bei gleicher Fläche eine erheblich größere Leistung erreicht, die je nach Implementierung von 40-200 kW/m ² oder sogar noch darüber liegen kann. Dies bedeutet zumindest eine Verzwanzigfachung des Wirkungsgrades mit einfachen Maßnahmen. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Wirkungsgrad relativ unabhängig von der Temperatur des ungerichteten Dampfes ist. Daher ist es erfindungsgemäß ohne Weiteres möglich, einen Dampf mit einer Temperatur von z.B. über 150° C mit einem Wasser zu kondensieren, das zum Beispiel bei 40° C liegt. Der Laminarisierer liefert daher eine Entkopplung des Kondensiererwirkungsgrads von der Dampftemperatur am Ausgang des Verdichters. Damit kann der Verdichter nach seinen Anforderungen dimensioniert werden und es muss bei der Dimensionierung des Verdichters gemäß der vorliegenden Erfindung nicht mehr darauf geachtet werden, welche thermischen Verhältnisse zum Kondensieren nötig sind.

Abweichend von den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen können die Turbulenzgeneratoren und die Laminarisierungseinrichtung nicht als zwei getrennte Elemente sondern auch durch ein und dasselbe Element ausgebildet werden. Beispiels-

weise kann auf die Verdampferoberfläche oder die Kondensiereroberfläche ein Fasergewebe bzw. eine Fasermatte aus vorzugsweise nicht saugfähigen Fasern gelegt werden, wobei die Oberfläche des Fasergewebes über den Stand der Flüssigkeit hinausragt, und zwar vorzugsweise mehr als 3mm und insbesondere mehr als 5 mm. Die Flüssigkeit umspült die Fasern, wodurch Turbulenzen erzeugt werden. Die umspülten Fasern stellen die Turbulenzgeneratoren dar. Die über die Flüssigkeit hinausragenden Fasern, die nicht umspült werden, stellen dagegen die Laminarisierungseinrichtung dar. Die Reibung des Dampfes an den Fasern, die nicht unbedingt ausgerichtet sein müssen, resultiert in einer Laminarisierung des Dampfes. Das Material der Fasern ist Kunststoff oder Metall, und das Fasergewebe ist beispielsweise Metallwolle oder insbesondere Stahlwolle. Vorteilhaft an dieser Implementierung ist, dass diese Implementierung selbstjustierend ist, da die Aufteilung in Turbulenzgenerator und Laminarisierungseinrichtung automatisch ist und durch den aktuellen Flüssigkeitsstand definiert ist. Außerdem ist die Montage besonders einfach und damit kostengünstig.

Obgleich bestimmte Elemente als Vorrichtungsmerkmale beschrieben worden sind, soll dies gleichzeitig eine Beschreibung eines entsprechenden Verfahrensschritts sein.