Titel:

Thermodynamische Kreisprozessanlage sowie Verfahren zur Reduktion von Druck- und/oder Temperaturspitzen in einer thermodvnamischen Kreisprozessanlage

Die Erfindung betrifft eine thermodynamische Kreisprozessanlage mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 . Hierbei kann es sich insbesondere um eine Kompressionswärmepumpe oder eine Kompressionskältemaschine handeln. Ferner wird ein Verfahren zur Reduktion von Druck- und/oder Temperaturspitzen in einer thermodynamischen Kreisprozessanlage, insbesondere in einer Kompressionswärmepumpe oder einer Kompressionskältemaschine angegeben.

Stand der Technik

Thermodynamische Kreisprozessanlagen der vorstehend genannten Art können zur Umwandlung von Wärme in Arbeit oder durch Aufwenden von Arbeit zum Heizen oder Kühlen eingesetzt werden. Hierzu weisen sie ein im Kreis geführtes Arbeitsmedium auf, dessen Zustand periodisch geändert wird.

Die zum Heizen oder Kühlen erforderliche Arbeit kann durch einen Kompressor eingebracht werden. Der Kompressor komprimiert das Arbeitsmedium, so dass der Bereich stromabwärts des Kompressors einen Hochdruckbereich und der Bereich stromaufwärts des Kompressors einen Niederdruckbereich definiert. Um das Arbeitsmedium erneut zu komprimieren, muss es zuvor entspannt werden.

Hierzu ist eine Drosseleinrichtung vorgesehen, die beispielsweise als Drossel oder als Expansionsventil ausgebildet sein kann. Der Hochdruckbereich endet demnach vor der Drosseleinrichtung, während nach der Drosseleinrichtung der Niederdruckbereich beginnt. Darüber hinaus weist eine thermodynamische Kreisprozessanlage regelmäßig einen Verdampfer und einen Kondensator auf, mittels welcher der Aggregatzustand des zirkulierenden Arbeitsmediums geändert werden kann. Im Bereich des Verdampfers wird dem Arbeitsmedium Wärme zugeführt, die das zunächst noch flüssige Arbeitsmedium in einen gasförmigen Zustand überführt. Die zugeführte

Energie in Form von Wärme wird dann im Bereich des Kondensators wieder freigesetzt, indem das gasförmige Arbeitsmedium zurück in den flüssigen Aggregatzustand überführt wird. Die frei gewordene Wärme kann dann zum Heizen eingesetzt werden. Soll die thermodynamische Kreisprozessanlage zum Kühlen eingesetzt werden, läuft der Prozess umgekehrt ab.

Das in einer thermodynamischen Kreisprozessanlage zirkulierende Arbeitsmedium stellt zugleich eine bewegte Masse dar, die sich nach Abschalten der Anlage noch eine Zeit lang weiter bewegt. Dies kann dazu führen, dass es im Hochdruckbereich, und zwar bevorzugt unmittelbar stromaufwärts der Drosseleinrichtung, aufgrund eines Rückstaus zu hohen Druck- und/oder Temperaturspitzen kommt. Diese können Werte erreichen, die eine hohe Belastung für die Anlage darstellen. Entsprechend sind solche Anlagen in der Regel auf hohe Spitzenwerte ausgelegt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine thermodynamische Kreisprozessanlage der vorstehend genannten Art bereitzustellen, bei welcher Druck- und/oder Temperaturspitzen im Hochdruckbereich deutlich weniger hoch ausfallen, wenn die Anlage abgeschaltet wird. Dadurch soll die Belastung der Anlage reduziert und die Lebensdauer verlängert werden.

Zur Lösung der Aufgabe wird eine thermodynamische Kreisprozessanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 angegeben. Ferner wird ein Verfahren zur Reduktion von Druck- und/oder Temperaturspitzen in einer thermodynamischen Kreisprozessanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 10 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen. Offenbarung der Erfindung

Die vorgeschlagene thermodynamische Kreisprozessanlage weist ein zirkulierendes Arbeitsmedium auf, das im Betrieb der Anlage komprimiert und entspannt wird und auf diese Weise einen Hochdruckbereich und einen Niederdruckbereich der Anlage definiert. Erfindungsgemäß sind der Hochdruckbereich und der Niederdruckbereich über mindestens ein Wärmerohr, das ebenfalls ein zirkulierendes Arbeitsmedium aufweist, verbunden. Die Verbindung über das Wärmerohr ermöglicht das Abführen überschüssiger Energie in Form von Wärme aus dem Hochdruckbereich in den Niederdruckbereich. Dadurch können nicht nur Temperaturspitzen, sondern auch Druckspitzen im Hochdruckbereich abgebaut werden. Dies wirkt sich insbesondere als Vorteil nach dem Abschalten der Anlage aus. Der Abbau von Druck- und/oder Temperaturspitzen, insbesondere nach Abschalten der Anlage, führt zu einer geringeren Belastung der Anlage, womit sich zugleich die Lebensdauer der Anlage erhöht.

Doch auch im Betrieb der Anlage weist die Verbindung über das Wärmerohr Vorteile auf. Zum Einen kann die Laufruhe, zum Anderen die Energieeffizienz der Anlage gesteigert werden. Denn das Wärmerohr fördert einen Temperaturausgleich zwischen dem Hochdruck- und dem Niederdruckbereich. Die in den Niederdruckbereich abgeführte Energie in Form von Wärme kann zur Erwärmung des Arbeitsmediums genutzt werden, so dass diese Energie erhalten bleibt. Gleichzeitig führt die abgeführte Energie zu einer Absenkung der Temperatur stromabwärts einer zur Entspannung des Arbeitsmediums vorgesehenen Drosseleinrichtung, wodurch der externe Energieeintrag erhöht und die Effizienz der Anlage weiter gesteigert wird.

Im Hinblick auf die Effizienz der Anlage wirkt sich dabei insbesondere als vorteilhaft aus, dass das vorliegend als interner Wärmetauscher eingesetzte Wärmerohr keine Hilfsmittel, wie beispielsweise eine Pumpe, erfordert, um Wärme vom Hochdruckbereich auf den Niederdruckbereich zu übertragen.

Die Funktionsweise eines Wärmerohrs, auch Heatpipe genannt, ist aus dem Stand der Technik seit langem bekannt. Ein Wärmerohr besitzt den Vorteil, dass es in der Lage ist, große Wärmemengen bei vergleichsweise kleiner Quer- schnittsfläche zu transportieren. Der Transport erfolgt dabei über ein selbständig zirkulierendes Arbeitsmedium, das hierbei seinen Aggregatzustand ändert.

Ein Wärmerohr bzw. eine Heatpipe gemäß dem Stand der Technik geht beispielhaft aus der EP 0 415 231 A2 hervor. Es umfasst ein rohrförmiges Gehäuse, in welchem ein wärmetransportierendes Medium aufgenommen ist. In einem Verdampfungsbereich des Wärmerohrs verdampft das Medium, wobei es Wärme aufnimmt, und in einem Kondensationsbereich des Wärmerohrs kondensiert es, wobei es die zuvor aufgenommene Wärme wieder abgibt. Dabei bilden sich ein Dampfstrom und ein Kondensatstrom aus, die das Gehäuse in entgegen gesetzten Richtungen längs durchströmen.

Der erfindungsgemäß vorgesehene Einsatz mindestens eines Wärmerohrs zur Schaffung eines Temperaturausgleichs trägt demnach ferner zum Energieerhalt und in der Folge zur Effizienzsteigerung der Anlage bei.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Anlage einen Kompressor zur Komprimierung ihres Arbeitsmediums und/oder eine Drosseleinrichtung, beispielsweise in Form einer Drossel oder eines Expansionsventils, zur Entspannung ihres Arbeitsmediums. Der Bereich stromabwärts des Kompressors bzw. stromaufwärts der Drosseleinrichtung bildet demnach den Hochdruckbereich aus, während der Bereich stromabwärts der Drosseleinrichtung bzw. stromaufwärts des Kompressors den Niederdruckbereich ausbildet. Vorteilhafterweise ist das Wärmerohr einerseits unmittelbar stromaufwärts der Drosseleinrichtung und andererseits unmittelbar stromaufwärts des Kompressors an die Anlage angeschlossen. Dies hat den Vorteil, dass der insbesondere beim Abschalten der Anlage durch Druck- und/oder Temperaturspitzen besonders stark belastete Bereich unmittelbar stromaufwärts der Drosseleinrichtung entlastet wird. Zugleich kann eine üblicherweise bestehende hohe Druck- und/oder Temperaturdifferenz zwischen diesen Bereichen zur Effizienzsteigerung genutzt werden. Insbesondere kann eine nach Abschalten der Anlage im System verbleibende„Restenergie" transferiert werden, so dass diese dem System erhalten bleibt. Ferner kann durch Abkühlung des Arbeitsmediums stromabwärts der Drosseleinrichtung eine höhere Effizienz bei der externen Energieaufnahme erreicht werden. Des Weiteren bevorzugt umfasst die Anlage einen im Hochdruckbereich angeordneten Kondensator und/oder einen im Niederdruckbereich angeordneten Verdampfer. Über diese Anlagekomponenten kann der Aggregatzustand des in der Anlage zirkulierenden Arbeitsmediums geändert werden.

Das Wärmerohr weist zur Änderung des Aggregatzustands seines Arbeitsmediums bevorzugt eine Verdampfungszone und eine Kondensationszone auf. Vorzugsweise ist das Wärmerohr im Bereich der Verdampfungszone mit dem Hochdruckbereich der Anlage und im Bereich der Kondensationszone mit dem Nie- derdruckbereich der Anlage wärmeübertragend verbunden. Denn durch Verdampfen und anschließendes Kondensieren des Arbeitsmediums im Wärmerohr kann Wärme aus dem Hochdruckbereich der Anlage in den Niederdruckbereich der Anlage übertragen werden, um auf diesem Wege Druck- und/oder Temperaturdifferenzen auszugleichen.

Zur Optimierung der Wärmeübertragung wird vorgeschlagen, dass das Arbeitsmedium der Anlage und das Arbeitsmedium des Wärmerohrs lediglich durch eine Wand eines Rohrs oder einer Leitung getrennt sind, wobei es sich bei dem Rohr oder der Leitung um ein Teil des Wärmerohrs oder der Anlage handeln kann. Beispielsweise kann das Rohr den Körper oder ein Körperteil des Wärmerohrs ausbilden und derart in ein Rohr oder eine Leitung der Anlage eingeführt sein, dass es außenumfangseitig von dem Arbeitsmedium der Anlage umströmt wird. Alternativ kann auch das Wärmerohr von einem Rohr oder einer Leitung der Anlage durchsetzt sein, so dass der im Wärmerohr aufgenommene Wandabschnitt des Rohrs oder der Leitung der Anlage die Trennung der beiden Arbeitsmedien voneinander bewirkt. Letzteres hat den Vorteil, dass die Wärmeübertragungsfläche besonders großflächig ausgebildet werden kann, wodurch die Wärmeübertragung nochmals gesteigert wird. Ferner kann das Wärmerohr selbst aus einem beliebigen Material gefertigt werden, da die Wärme über„innen liegende Wär- meübertragungsflächen" übertragen wird, die nicht durch das Wärmerohr ausgebildet werden.

Vorteilhafterweise ist die Wand, die beide Arbeitsmedien voneinander trennt, aus einem besonders wärmeleitfähigen Material gefertigt. Beispielsweise kann dies ein metallisches Material sein. Alternativ oder ergänzend kann die Wand eine profilierte Außenkontur und/oder eine strukturierte Oberfläche besitzen. Sämtli- che Maßnahmen - allein oder in Kombination - tragen dazu bei, dass die Wärmeübertragung optimiert wird.

Sofern das Wärmerohr zumindest abschnittsweise aus einem wärmeleitfähigen Material gefertigt ist, wird vorgeschlagen, dass es zumindest abschnittsweise wärmeisoliert ist. Alternativ oder ergänzend kann das Wärmerohr zumindest abschnittsweise aus einem wärmeisolierenden Material gefertigt sein. Als wärmeisolierendes Material bietet sich insbesondere Kunststoff an. Durch die Wärmeisolierung bzw. die Fertigung des Wärmerohrs aus einem wärmeisolierenden Ma- terial können die Wärmeabgabe nach Außen und damit der Wärmeverlust minimiert werden. Der Energieerhalt kommt wiederum der Effizienz der thermodyna- mischen Kreisprozessanlage zugute.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Wärmerohr zumin- dest abschnittsweise biegeelastisch ausgebildet ist. Die zumindest abschnittsweise biegeelastische Ausbildung des Wärmerohrs erleichtert die Montage desselben, insbesondere bei beengten Bauraumverhältnissen. Insofern können auch bereits vorhandene thermodynamische Kreisprozessanlagen in einfacher Weise zu einer erfindungsgemäßen Anlage nachgerüstet werden. Alternativ oder er- gänzend wird vorgeschlagen, dass das Wärmerohr zumindest abschnittsweise eine gekrümmte, gebogene oder abgewinkelte Form besitzt.

Vorteilhafterweise ist das Wärmerohr mehrteilig ausgeführt. Auf diese Weise kann die Anbindung des Wärmerohrs an ein Rohr oder an eine Leitung der ther- modynamischen Kreisprozessanlage vereinfacht werden, da beispielsweise die mehreren Teile nach Art einer Rohrschelle angelegt werden können. Dies gilt für die Erstausstattung einer Anlage mit einem Wärmerohr wie auch den Austausch des Wärmerohrs. Ferner sind Materialwechsel möglich, so dass beispielsweise ein mittlerer Abschnitt des Wärmerohrs aus einem wärmeisolierenden und/oder biegeelastischen Material gefertigt kann. Darüber hinaus können verschieden geformte und dimensionierte Körperteile zur Ausbildung eines Wärmerohrs vorgehalten werden, die dann je nach Anwendungsfall kombiniert werden. Die mehrteilige Ausführung erweist sich demnach insbesondere bei der Nachrüstung einer thermodynamischen Kreisprozessanlage als vorteilhaft. Das ferner zur Reduktion von Druck- und/oder Temperaturspitzen in einer thermodynamischen Kreisprozessanlage vorgeschlagene Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Hochdruckbereich und der Niederdruckbereich über mindestens ein Wärmerohr verbunden werden. Über die durch das Wärmerohr hergestellte Verbindung wird Wärme aus dem Hochdruckbereich abgeführt und dem Niederdruckbereich zugeführt, was schließlich zum Abbau von Druck- und/oder Temperaturspitzen führt. Das heißt, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mindestens ein Wärmerohr eingesetzt wird, um einen Ausgleich bestehender Druck- und/oder Temperaturdifferenzen zwischen dem Hochdruckbereich und dem Niederdruckbereich zu schaffen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist grundsätzlich auf allen thermodynamischen Kreisprozessanlagen durchführbar. Beispielsweise lassen sich bereits vorhandene thermodynamische Kreisprozessanlagen in einfacher Weise nachrüsten, indem der Hochdruckbereich und der Niederdruckbereich über mindestens ein Wärmerohr verbunden werden, so dass das Wärmerohr die Funktion eines internen Wärmetauschers übernimmt.

Da, wie bereits erwähnt, die Anlage belastende Druck- und/oder Temperaturspitzen auch oder insbesondere nach Abschalten der Anlage auftreten, entfaltet das erfindungsgemäße Verfahren seine vorteilhafte Wirkung auch außerhalb der Betriebszeiten der Anlage. Durch den Einsatz des Wärmerohrs sinkt die Belastung der Anlage, was sich wiederum günstig auf die Lebensdauer der Anlage auswirkt. Neben der Reduktion von Druck- und/oder Temperaturspitzen kann über das Wärmerohr zugleich eine Steigerung der Laufruhe und der Effizienz der Anlage bewirkt werden.

Bevorzugt werden ein unmittelbar stromaufwärts einer Drosseleinrichtung der Anlage liegender Hochdruckbereich und eine unmittelbar stromaufwärts eines Kompressors der Anlage liegender Niederdruckbereich über das Wärmerohr verbunden. Da zwischen diesen Bereichen die größten Druck- und/oder Temperaturdifferenzen herrschen, kann bei dieser Anordnung der maximale Effekt erzielt werden.

Des Weiteren bevorzugt weist das Wärmerohr eine Verdampfungszone und eine Kondensationszone auf. Im Bereich der Verdampfungszone wird das Wärmerohr mit dem Hochdruckbereich der Anlage und im Bereich der Kondensationszone mit dem Niederdruckbereich der Anlage wärmeübertragend verbunden. Das heißt, dass der Hochdruckbereich als Wärmequelle und der Niederdruckbereich als Wärmesenke dient. Die zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke bestehende Temperaturdifferenz bewirkt, dass das Arbeitsmedium des Wärmerohrs eine Änderung seines Aggregatzustands erfährt und somit im Wärmerohr zirkuliert.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen ther- modynamischen Kreisprozessanlage gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform und

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen ther- modynamischen Kreisprozessanlage gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Die in der Fig. 1 dargestellte thermodynamische Kreisprozessanlage umfasst einen über einen Elektromotor 17 antreibbaren Kompressor 4, welcher der Komprimierung eines Arbeitsmediums der Anlage dient. Ferner ist eine Drosseleinrichtung 5 in Form eines Expansionsventils vorgesehen, das der Entspannung des Arbeitsmediums dient. Stromaufwärts des Kompressors 4 bis zur Drosseleinrichtung 5 herrscht somit Hochdruck (Hochdruckbereich 1 ) und stromabwärts der Drosseleinrichtung 5 bis zum Kompressor 4 herrscht somit Niederdruck (Niederdruckbereich 2). Die Strömungsrichtung 16 des Arbeitsmediums ist durch Pfeile angegeben.

Im Niederdruckbereich 2 ist ein Verdampfer 7 angeordnet, der im Betrieb der Anlage eine Änderung des Aggregatzustands des Arbeitsmediums bewirkt. Das heißt, dass das ursprünglich flüssige Arbeitsmedium im Bereich des Verdampfers 7 in einen gasförmigen Zustand überführt wird. Dabei nimmt das Arbeitsmedium Wärme auf. Beim Kondensieren im Bereich eines Kondensators 6, der im Hochdruckbereich 1 angeordnet ist, wird dann die aufgenommene Wärme wieder abgegeben. Die in der Fig. 1 dargestellte Anlage arbeitet demnach nach dem Prinzip einer Kompressionswärmepumpe. Zwischen dem Hochdruckbereich 1 und dem Niederdruckbereich 2 herrschen hohe Druck- und/oder Temperaturdifferenzen, die insbesondere dann noch zunehmen können, wenn die Anlage abgeschaltet wird. Denn dann strömt das Arbeitsmedium zunächst weiter in Richtung der Drosseleinrichtung 5 und wird erst durch diese gebremst. Unmittelbar stromaufwärts der Drosseleinrichtung können somit besonders hohe Druck- und/oder Temperaturspitzen entstehen, welche die

Anlage belasten.

Bei der dargestellten erfindungsgemäßen Anlage ist daher der Hochdruckbereich 1 unmittelbar stromaufwärts der Drosseleinrichtung 5 über ein Wärmerohr 3 mit dem Niederdruckbereich 2 unmittelbar stromaufwärts des Kompressors 4 verbunden. Das Wärmerohr bewirkt einen Druck- und/oder Temperaturausgleich und reduziert auf diese Weise Druck- und/oder Temperaturspitzen vor der Drosseleinrichtung 5. Das Wärmerohr 3 der Anlage der Fig. 1 ist mehrteilig ausgeführt. Die mehreren

Teile sind jeweils rohrförmig ausgebildet, wobei ein rohrförmiges mittleres Teil gebogen ist, um den Bauraumverhältnissen Rechnung zu tragen. Die mit dem rohrförmigen mittleren Teil verbundenen beiden Endabschnitte, die jeweils aus einem Rohr 1 1 gebildet werden, dienen dem Anschluss des Wärmerohrs 3 an die Anlage. Die Rohre 1 1 sind hierzu jeweils in ein Rohr 12 der Anlage eingeführt und mit diesem fluiddicht verbunden. Die Wände 10 der Rohre 1 1 des Wärmerohrs 3 bilden auf diese Weise Wärmeübertragungsflächen aus, die das Arbeitsmedium der Anlage von einem Arbeitsmedium des Wärmerohrs 3 trennen. Die Wände 10 bzw. die Rohre 1 1 sind daher aus einem besonders wärmeleitfähigen Material gefertigt. Um die Abgabe von Wärme nach außen zu unterbinden ist das

Wärmerohr 3 von einer Wärmeisolierung 15 umgeben.

In der Fig. 1 ist das Wärmerohr 3 im Schnitt dargestellt. Daher ist ersichtlich, dass im Wärmerohr 3 ein Dampfkanal 13 und ein Kondensatkanal 14 ausgebildet werden. Diese fördern eine Zirkulation des Arbeitsmediums innerhalb des Wärmerohrs 3. Über den Dampfkanal 13 wird das gasförmige Arbeitsmedium von ei- ner Verdampfungszone 8 in Richtung einer Kondensationszone 9 geführt. Dort kondensiert das Arbeitsmedium und strömt als Kondensat über den

Kondensatkanal 14 zurück zur Verdampfungszone 8, wo es schließlich wieder verdampft. Die Änderung des Aggregatzustands des Arbeitsmediums des Wärmerohrs 3 bewirkt, dass Wärme aus dem Hochdruckbereich 1 in den Niederdruckbereich 2 übertragen wird.

Die mehrteilige Ausführung des Wärmerohrs 3 bei der Anlage der Fig. 1 erfordert eine fluiddichte Verbindung der mehreren Teile. Vorliegend ist die fluiddichte Verbindung über eine Bördelung 18 hergestellt. Um die Dichtwirkung zu erhöhen, kann ein Dichtelement (nicht dargestellt) zwischen die zu verbindenden Rohrabschnitte eingelegt werden, das dann mit verpresst wird. Das Arbeitsmedium des Wärmerohrs 3 kann selbstverständlich erst dann eingefüllt werden, wenn die mehreren Teile fluiddicht verbunden sind.

Der Fig. 2 ist eine Abwandlung der Anlage der Fig. 1 zu entnehmen. Sie unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen im Wesentlichen dadurch, dass das Wärmerohr 3 anders an die Anlage angebunden ist.

Bei der Ausführungsform gemäß der Fig. 2 wird nicht das Rohr 12 der Anlage von dem Rohr 1 1 des Wärmerohrs 3 durchdrungen, sondern umgekehrt. Die Wärmeübertragungsfläche wird demnach von einer Wand 10 des Rohrs 12 gebildet. Dies besitzt den Vorteil, dass das Material des Rohrs 1 1 des Wärmerohrs 3 beliebig wählbar ist. Insbesondere kann ein schlecht wärmeleitendes bzw. wärmeisolierendes Kunststoffmaterial gewählt werden, so dass eine zusätzliche Wärmeisolierung entbehrlich ist. Ferner hat das von außen angeschlossene Wärmerohr 3 keinen Einfluss auf den Strömungswiderstand im Rohr 12 der Anlage.

Bezugszeichenliste

1 Hochdruckbereich

2 Niederdruckbereich

3 Wärmerohr

4 Kompressor

5 Drosseleinrichtung

6 Kondensator

7 Verdampfer

8 Verdampfungszone

9 Kondensationszone

10 Wand

1 1 Rohr

12 Rohr

13 Dampfkanal

14 Kondensatkanal

15 Wärmeisolierung

16 Strömungsrichtung

17 Elektromotor

18 Bördelung