Wärmepumpe

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Wärmepumpe mit einem Verdampfer, in dem ein Fluid bei niedrigem Druck unter Wärmeaufnahme aus der Umgebung kontinuierlich verdampft wird und einem Kondensator, in dem das Fluid bei hohem Druck unter Wärmeabgabe an die Umgebung kontinuierlich kondensiert wird.

Eine solche Wärmepumpe hat verschiedene Anwendungen: Wenn der Kondensator innerhalb eines Raumes angeordnet ist und der Verdampfer außerhalb, transportiert das Fluid, für das gewöhnlich ein Flüssiggas verwendet wird, Wärme von außerhalb des Raums nach innerhalb. Die Wärmepumpe dient in diesem Fall als Heizanlage für den Raum. Wenn dagegen der Verdampfer innerhalb eines Raumes angeordnet ist und der Kondensator außerhalb, transportiert das Fluid, das in diesem Fall auch als Kältemittel bezeichnet wird, Wärme von innerhalb des Raums nach außerhalb. Die Wärmepumpe dient in diesem Fall als Kühlanlage (auch "Kältemaschine" genannt) für den Raum.

In der Offenlegungsschrift DE 3200436 Al wird beispielhaft gezeigt, dass Injektoren/Ejektoren nur zur Unterstützung in diskontinuierlich betriebenen Absorptions-Wärmepumpen eingesetzt werden können. Aber auch in kontinuierlich arbeitenden Kompressor-Wärmepumpen kann die DampfStrahlpumpe nur zur Unterstützung verwendet werden.

Aus der Offenlegungsschrift DE 10317875 Al ist bekannt, dass Ejektoren zur Unterstützung eines Kälteanlage-Kompressors einen geringen Anfangsdruck ausbilden können. In der Laval -Treibdüse kondensiert der Treibdampf bei der Expansion schadhaft, und es bilden sich sogar Eiskristalle aus. In der Wärmepumpentechnik

wird der Injektor/Ejektor folglich nur als Druckunterstützer eingesetzt, nicht aber als alleiniger Druckerzeuger.

Aufgabe der Erfindung ist es, den konventionellen Kompressor einer Wärmepumpe, wie sie beispielsweise in einer Heiz- oder Kühlanlage verwendet wird, durch einen Injektor/Ejektor zu ersetzen, welcher die erforderlichen Drücke alleine, also ohne nachgeschalteten Kompressor, erbringen kann.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Wärmepumpe gemäß Anspruch 1. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben .

Dazu ist der Einsatz einer von außen beheizten Laval-Treibdüse erforderlich. Diese wurde detailliert in allen Funktion in den österreichischen Patentanmeldungen A 412/2005, A 608/2005, A 1660/2005 und A 1984/2005 beschrieben.

Durch die Beheizung des Treibstrahles insbesondere während der Expansion in der Treibdüse werden wesentlich höhere Austritts- geschwindigkeiten an der Treibdüse erzielt, und der Treibdampf ist beim Austritt vor allem völlig gasförmig. Somit werden die erforderlichen Druckniveaus ausschließlich durch den Dampftreibstrahl erzeugt .

Vorzugsweise besteht der Treibstrahl in der Laval-Treibdüse aus dem in der Wärmepumpe verwendeten Fluid. Das Treibmedium wird in einem Bypass nach dem Kondensator flüssig aufgenommen und über eine Druckpumpe der beheizten Laval-Treibdüse zugeführt. Die Druckpumpe erzeugt dabei Drücke von vorzugsweise deutlich über 100 bar, sie fördert aber kein Gas, sondern ausschließlich das flüssige Fluid, dessen Volumen wesentlich kleiner ist als im gasförmigen Zustand.

DU/SV/31 0707

Die der beheizten DampfStrahlpumpe von außen zugeführte Wärme kann beispielsweise Abwärme eines Verbrennungsmotors sein. Die erforderliche Wärme wird dem Dampftreibstrahl von einem Wärmetauscher am Auspuff über thermische Verbindungen dem Verdampfer/Dampfüberhitzer und der Laval -Treibdüse zugeführt.

Selbstverständlich können auch andere Wärmequellen eingesetzt werden als ein Verbrennungsmotor. Diese Wärmequellen können aus Solarwärme, Wärme aus dem Abbrand eines brennbaren Brennstoffes in einem Brenner, Prozesswärme usw. bestehen. Diese Anwendung können beispielsweise für Camping-Kühlschränke, Solar- Klimaanlagen etc. genutzt werden oder für Wärmepumpen zur Hausbeheizung, wenn die primäre Wärmequelle am Verdampfer ausnahmsweise alleine nicht mehr ausreicht, die primäre Wärmequelle also beispielsweise Luft ist und die Zusatzheizung eine Holzheizung ist. Die Wärme kann über einen Wärmetauscher zum Gas, vor dem Eintritt in die Wärmetauscher zur Treibdüse und dem Vorverdampfer zugeführt werden. Es kann aber natürlich auch eine direkte thermische Verbindung von der Zusatz-Wärmequelle zu den Wärmetauschern der Treibdüse und dem Verdampfer/überhitzer geschaffen werden.

Vorzugsweise weist der divergente Teil der Laval-Treibdüse einen flacheren Winkel als 2° auf, und der Gesamttreibstrahl wird auf mehrere einzelne, parallel nebeneinander angeordnete, kleinere Laval-Treibdüsen aufgeteilt. Dadurch wird eine Vergrößerung der Wärmetauschfläche des Treibgases zur Wärmetauschfläche der Laval-Treibdüsen-Innenseite erreicht. Eine konventionelle Treibdüse würde im Verhältnis des zu Verfügung stehenden δt eine mehrere hundertfach zu kleine Wärmetauschflache zum Treibgas aufweisen.

Im Verdampfer/überhitzer wird das flüssig zufließende Kältemittel durch Wärmezufuhr von außen verdampft und nachfolgend über-

DL7/SV/310707

hitzt. Die überhitzung des Treibdampfes im Dampfüberhitzer spart Wärmetauschfläche in der Laval -Treibdüse.

Die Wärmetauschfläche in der Laval-Treibdüse muss aufgrund der überschallgeschwindigkeit des Treibdampfes absolut geradlinig ausgeführt werden, während der Verdampfer/überhitzer mit seiner Unterschall -Strömungsgeschwindigkeit des Treibmediums vorteilhaft beliebig schikanenartig anlegt sein kann.

Das Fluid, und somit jeweils gleichermaßen der Treibdampf der Injektor/Ejektorpumpe, kann aus einem FCKW-Gas, aus CO2 oder einem beliebigen anderen verdampfbaren Fluid bestehen. Die Drücke, welche von der beheizten Injektor/Ejektorpumpe zu erzeugen sind, richten sich nach dem verwendeten Verdampfer/überhitzer und den angestrebten Temperaturgefällen.

Die DampfStrahlpumpe kann in einer Variante auch nur als Injektor zur überdruckerzeugung ausgebildet sein oder in einer weiteren Variante auch nur als Ejektor zur Unterdruckerzeugung genutzt werden. Der Einsatz als Injektor oder Ejektor, oder eines Mischbetriebes, ist vom Fluid und dessen Verdampfungs- /Kondensationstemperatur sowie von den zur Verfügung stehenden und gewünschten Temperaturen abhängig.

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer als Kühlanlage arbeitenden Wärmepumpe gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 ist eine schematische Schnittansicht einer als Laval - Treibdüse.

DL7/SV/310707

Fig. 3 ist eine schematische Schnittansicht einer Dampf - Strahlpumpe mit zwei Laval -Treibdüsen .

Fig. 4 ist eine schematische Darstellung einer als Kühlanlage arbeitenden Wärmepumpe gemäß einer Abwandlung ersten Ausführungsform.

Fig. 5 ist eine schematische Darstellung einer als Heizanlage arbeitenden Wärmepumpe gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Zunächst wird mit Bezug auf Fig.1. eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben, bei der die Wärmepumpe als Kühlanlage oder Kältemaschine dient.

In einem zu kühlenden Raum 1 befindet sich ein Verdampfer 2 mit Wärmetauscher. Der Verdampfer 2 ist über einen Ansaugstutzen 3 mit einem Mischrohr 4 verbunden, das seinerseits über einen ü- berströmstutzen 5 mit einem Kondensator 6 mit Wärmetauscher verbunden ist. Von dem Kondensator 6 aus führt eine Flüssiggasleitung 7 zu einem Flüssiggassammelbecken 8. Von dem Flüssiggas-Sammelbecken 8 führt eine Flüssiggasleitung 9 über eine Drossel 10 zurück zu dem Verdampfer 2. Somit wird ein geschlossener Kreis gebildet, in dem ein als Kältemittel wirkendes Fluid zirkulieren kann.

Im Betrieb wird das Fluid in dem Verdampfer 2 bei niedrigem Druck unter Wärmeaufnahme aus der Umgebung kontinuierlich verdampft und in dem Kondensator 6 bei hohem Druck unter Wärmeabgabe an die Umgebung kontinuierlich kondensiert. Dadurch wird Wärme aus dem zu kühlenden Raum 1 an die Umgebung abgeführt, und der zu kühlende Raum 1 wird gekühlt.

Von dem Flüssiggassammelbecken 8 führt eine weitere Flüssiggas- leitung 11 über eine Flüssiggaspumpe 12 zu einem Verdamp-

DI7/SVI31.07.07

fer/überhitzer 13. An den Verdampfer/überhitzer 13 ist eine La- val -Treibdüse 14 angeschlossen, die über einen Treibdüsenaus- lass 15 in das Mischrohr 4 mündet. Der Verdampfer/überhitzer 13, die Laval -Treibdüse 14 und das Mischrohr 4 bilden eine DampfStrahlpumpe 16, die im Betrieb die erforderlichen Druckniveaus für den Kondensator 6 und den Verdampfer 2 erzeugt .

Dazu enthält die DampfStrahlpumpe 16 weiter einen Wärmetauscher 17, der jeweils über eine thermisch leitende Verbindung 18, 19 mit dem Verdampfer/überhitzer 13 und mit der Laval-Treibdüse 14 verbunden ist .

In der vorliegenden Ausführungsform ist der Wärmetauscher 17 mit dem Auspuff 20 eines Verbrennungsmotors 21 eines Automobils verbunden .

Im Betrieb genügt schon bei geringster Motorauslastung ein Teil der Abwärme des Verbrennungsmotors 21, der über den Wärmetauscher 17 und die thermisch leitenden Verbindungen 18, 19 an den Verdampfer/überhitzer 13 und die Laval -Treibdüse 14 geleitet wird, um beispielsweise eine Auto-Klimaanlage vollwertig zu betreiben. Diese Abwärme verdampft im Verdampfer/überhitzer 13 das flüssige Kältemittel, und vor allem beheizt sie das Kältemittel während der Expansion in der Laval -Treibdüse 14.

In Fig. 2 ist eine Laval-Treibdüse 14 im Schnitt gezeigt. Sie weist einen konvergenten Treibdüsenteil 22 und einen divergenten Treibdüsenteil 23 auf. Mittels Verflachen des Steigungswinkels 24 des divergenten Treibdüsenteils 23 findet eine Verlängerung der Laval -Treibdüse 14 statt. Mit dieser Verlängerung des divergenten Treibdüsenteil 23 geht eine Vergrößerung der Wärmetauschfläche des Treibdampfes zur Treibdüse 19 anher. Eine konventionelle Laval-Treibdüse weist eine Oberflächengröße auf, die niemals die erforderlichen Wärmemengen übertragen könnte.

OL7/SV/310707

Die Wärmetauschfläche muss im Gesamten im Regelfall ca. ein 100-faches einer herkömmlichen Laval-Treibdüse ausmachen.

In Fig. 3 ist eine weitere Maßnahme zur Vergrößerung der Wärmetauschfläche gezeigt. Es wird der Gesamtgasstrom der Treibdüse auf eine Vielzahl kleiner Treibdüsen 14 aufgeteilt. In der Figur sind beispielhaft zwei Treibdüsen 14 gezeigt, es können jedoch auch drei oder mehr Treibdüsen 14 verwendet werden. Dadurch wird die Oberfläche je nach Anzahl dieser kleinen Treibdüsen bei gleichbleibendem Durchlassquerschnitt der einzelnen Treibdüsen erheblich vergrößert.

Von der Flüssiggaspumpe 12, die von einem (nicht dargestellten) Elektromotor angetrieben wird, wird das Fluid mit meist deutlich über 100 bar dem Verdampfer/überhitzer 13 zugeführt. Auf Grund der dem Verdampfer/überhitzer 13 zugeführten Wärme verdampft das Fluid und wird gasförmig. Im Verdampfer/überhitzer 13 strömt das Gas noch mit Unterschallgeschwindigkeit, erreicht aber nach dem konvergenten Düsenteil 23 der Laval-Treibdüse 14 und der engsten Stelle in dieser Düse im divergenten Düsenteil 24 der Laval -Treibdüse 14 überschall-Geschwindigkeit . Ab dann darf der Gasstrom keinesfalls mehr in der geradlinigen Fließrichtung gebeugt werden. Es würden sonst sehr schadhafte Enthalpiesprünge auftreten.

Durch das Beheizen der Laval -Treibdüse 14 wird ein Abkühlen des Kältemittels bei der überschall -Expansion vermieden. In herkömmlichen Laval-Treibdüsen kondensiert der Treibdampf bei der Expansion äußerst schadhaft und bildet sogar Eiskristalle. Dadurch erzielen herkömmliche DampfStrahlpumpen nur sehr schlechte Wirkungsgrade und konnten in der Kältetechnik bisher bestenfalls als Unterstützer des Kompressors eingesetzt werden.

In der DampfStrahlpumpe 16 gemäß der vorliegenden Ausführungsform tritt der beheizte Kältemittel-Treibstrahl gegenüber der

DL7/SW31.07.07

herkömmlichen DampfStrahlpumpe mit einer weit erhöhten Geschwindigkeit und heiß aus der Laval -Treibdüse 14 aus und ist vollständig gasförmig. Er besitzt also eine weit höhere kinetische Energie in Form von Geschwindigkeit der beschleunigten Gasmoleküle. Die Moleküle sind aber aufgrund der Beheizung auch wirklich gasförmig und nicht wie in herkömmlichen Laval- Treibdüsen zu Flüssigkeit kondensiert oder gar zu Eiskristallen erstarrt .

Das anschließende Pumpen des Kältemittels im Injektor-Mischrohr 4 erfolgt deswegen mit sehr gutem Wirkungsgrad. Im Mischrohr 4 kollidieren die Treibmoleküle vielfach mit den Fördermolekülen. Im elastischen Stoß wird kinetische Energie der Treibmoleküle auf die Fördermoleküle übertragen.

Es wird aber auch ein erheblicher Anteil der den Treibmolekülen innenwohnenden kinetischen Energie in Wärme umgewandelt. Diese Wärme führt zu einer Erwärmung des Gases, welche je nach Gas- Mischverhältnis zwischen Treib- und Fördergas, dem verwendeten Treibdruck, etc, durchaus > 100 ⁰ C erreichen kann. In Verdichtungsstößen sinkt die Geschwindigkeit des Treibgas-Fördergas- Gemisches im Mischrohr 4 auf Unterschall-Geschwindigkeit , und umgekehrt steigt der Druck auf Werte, wie sie bis dato nur mit den Kompressoren zu erzielen waren. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ersetzt also den Kompressor vollständig.

Die Impulsübertragung im elastischen Stoss von gasförmigen Treibmolekülen auf die gasförmigen Pumpmoleküle gelingt im selben Maß besser, als eine höhere Geschwindigkeit der Treibmoleküle zur Verfügung steht und als das Treibmedium anteilig gasförmig ist. Wichtig zu wissen ist, dass kondensierter Treibdampf oder zu Eiskristallen erstarrter Treibdampf auf das gasförmige Pumpmedium de facto keine Pumpwirkung mehr ausübt.

OU/SV/31.07.07

Der vollständig gasförmige und heiße Treibstrahl der Dampfstrahlpumpe 16 erzielt gegenüber dem teilweise schon kondensierten Treibdampf einer konventionellen DampfStrahlpumpe ein Vielfaches an Stößen auf das Pumpmedium.

Im Kondensator 6 gibt das Gas seine restliche Wärme bis auf annähernd den Temperaturwert der Umgebung ab und kondensiert dabei aufgrund der verringerten Temperatur und des herrschenden überdruckes. Nunmehr fließt das dermaßen verflüssigte Gas zum einen Teil als Treibstrahl für die Dampfstrahlpumpe 16 zur Förderpumpe 12 und zum anderen Teil über eine Drossel 10 zum Verdampfer 2.

In der Drossel 10 wird der Druck des Flüssiggas stark abgesenkt. Deswegen beginnt dieses zu sieden und verdampft. Die erforderliche Verdampfungswärme wird im Verdampfer 2 aus der Umgebung entzogen. Der Wärmeträger der Umgebung kann Luft, Grundwasser oder der zu kühlende Raum sein.

Nachdem der Verdampfer nunmehr Wärme von der Umgebung aufgenommen hat (Anwendung als Heizanlage) bzw. dem zu kühlenden Raum Wärme entzogen hat (Anwendung als Kühlanlage) , strömt das dermaßen verdampfte Gas sodann in das Mischrohr 4, von wo aus der beschriebene kontinuierliche Prozess erneut abläuft .

Bei der Anwendung im Auto wird die beheizte DampfStrahlpumpe 16 durch die als Abfallprodukt zur Verfügung stehende Abwärme des Auspuffes 20 betrieben. Als einzigen bewegten Teil weist die Kühlanlage eine Flüssiggaspumpe 12 auf, welche nur ein paar Prozent der Energie verbraucht, wie sie eine vergleichbare Kompressor-Kältemaschine verbraucht .

Eine Abwandlung der ersten Ausführungsform ist in Fig. 4 dargestellt. In dieser Abwandlung wird die Wärme zum Beheizen der

DL7/SV/31.07.07

Laval-Treibdüse 14 nicht von einem Verbrennungsmotor eines Automobils erzeugt, sondern durch einen Brenner 25.

Alternativ kann anstelle eines Verbrennungsmotors oder eines Brenners auch eine andere Wärmequelle eingesetzt werden wie z.B. eine Solaranlage, Prozesswärme, usw. Durch diese Vielfalt der möglichen Wärmequellen entsteht ebenso eine Vielfalt der Anwendbarkeit der Erfindung. Solche Einrichtungen dienen als beispielsweise Camping-Kühlschrank oder als Klimaanlage, welche durch solare Wärme angetrieben wird. In sonnigen Ländern kann beispielsweise ein von der Sonne beschienenes Dach dazu verwendet werden, um über ein Solarfeld die erforderliche Wärme für den Betrieb der Klimaanlage des darunter liegenden Gebäudes zu erzeugen.

Die in der ersten Ausführungsform und ihrer Abwandlung beschriebene Wärmepumpe, die als Kühlanlage oder Kältemaschine dient, kann ebenso als Heizanlage verwendet werden, wenn der Kondensator 6 in einem zu heizenden Raum untergebracht ist.

Fig. 5 zeigt eine Wärmepumpe, die als Heizanlage und gleichermaßen als Kühlanlage verwendet werden kann, nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bauteile, deren Aufbau und Funktion denen der ersten Ausführung entspricht, sind durch dieselben Bezugszeichen gekennzeichnet.

Die Wärmepumpe gemäß der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von derjenigen der ersten Ausführungsform darin, dass das aus dem Mischrohr 4 austretende verdichtete und erhitzte Gas dem Kondensator 6 nicht über den überströmstutzen 5 zugeführt wird, sondern über eine Gasleitung 26. Diese Gasleitung 26 ist jeweils über thermisch leitende Verbindungen 27, 28 mit dem Verdampfer/überhitzer 13 und mit der Laval-Treibdüse 14 verbunden.

DI7/SV/31 0707

Somit wird dem Verdampfer/überhitzer 13 und der Laval -Treibdüse 14 Wärme von dem heißen Gas zugeführt, das von dem Mischrohr 4 durch die Gasleitung 26 zu dem Kondensator 6 geleitet wird. ü- ber eine Zusatzheizung 29 kann dem Gas in der Gasleitung 26 weitere Wärme zugeführt werden.

Die der beheizten DampfStrahlpumpe von außen her zugeführte Wärme entsteht bei der Verdichtung des Gases im Mischrohr des Injektors. Wärme, die im Injektor erzeugt wird, wird also größtenteils in einem inneren Wärmekreislauf dem Vorverdampfer und vor allem der Laval -Treibdüse wieder rückgeführt. Es entsteht somit der Effekt, dass die Laval -Treibdüse Drücke wie ein herkömmlicher Kompressor erzeugen kann.

DL7/SV/31.07.07