DE3111469A1

DE3111469A1 - Mehrstufige kompressionskaltdampfmaschine mit waermespeicher

Info

Publication number: DE3111469A1
Application number: DE19813111469
Authority: DE
Inventors: Hermann Prof. Dr.-Ing. 4600 Dortmund Schwind; Dieter Dipl.-Ing. 7030 Böblingen Wolff
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-03-24
Filing date: 1981-03-24
Publication date: 1982-10-14

Description

Prof. Dr.-Ing I Hermann"Schwind* "" 80/13598-Hf Kleiner Floraweg 34 /.

4600 Dortmund 50

Dr.-Ing. Dieter Wolff
Offenburger Straße 6

7030 Böblingen

Mehrstufige Kompressionskaltdampfmaschine mit Wärmespeicher

Die Erfindung betrifft eine Mehrstufen-Kompressions-Kaltdampfmaschine, die im wesentlichen aus mindestens zwei Kältemittelkreisläufen unterschiedlichen Druckniveaus und mindestens einem die einzelnen Kreisläufe verbindenden unter Mitteldruck stehenden Wärmeübertrager mit integriertem Wärmespeicher, bevorzugt mit einem Latentwärmespeicher, besteht.

Die folgenden Erläuterungen beziehen sich auf einen zweistufigen Prozeß. Dieser besteht im wesentlichen aus einem einen Verdampfer, ein Drosselventil und einen Verdichter enthaltenden Niederdruckkreislauf und einem einen Kondensator, ein Drosselventil und einen Verdichter enthaltenden Hochdruckkreislauf, sowie einem die beiden Kreisläufe verbindenden, unter einem Mitteldruck stehenden Wärmeübertrager mit integriertem Wärmespeicher.

Derartige Maschinen werden entweder in Kaskadenschaltung oder mit Zwischenentspannung im, die beiden Kreisläufe verbindenden Wärmeübertrager betrieben. Im ersten Fall können zwei verschiedene Kältemittel eingesetzt werden, wobei im Wärmeübertrager eine Temperaturdifferenz in Kauf genommen werden muß. Im zweiten Fall werden beide Kreisläufe mit demselben Kältemittel betrieben, wodurch eine Zwischenentspannung mit direktem Wärmeübergang im Wärmeübertrager möglich wird.

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Je nach der technischen Auslegung bzw. Leistung der beiden Kreisläufe stellt sich in jedem Fall im Wärmeübertrager ein Mitteldruck eir., der zwischen den Betriebsdrücken des Verdampfers im Niederdruckkreislauf und des Kondensators im Hochdruckkreislauf liegt. Z. B. nach der Zeitschrift "Kältetechnik", 13. Jahrg., Heft 6/1961, S. 210 bis 216, ist bekannt, daß die Betriebsweise des Gesamtsystems optimal ist, wenn der Betriebsdruck in jenem Wärmeübertrager in einem bestimmten Ver- hältnis zu den Betriebsdrücken in den beiden Kreisläufen steht. Im praktischen Betrieb ist dieser optimale Druck jedoch selten zu erzielen, da meistens die Wärmezufuhr zum Verdampfer oder/und die Wärmeabfuhr aus dem Kondensator aufgrund gegebener Betriebsbedingungen erheblich schwankt, wodurch dem Gesamtsystem von außen ein unstetiges Betriebsverhalten aufgezwungen wird.

Erfindungsaufgabe ist deshalb, die Maschine der eingangs angegebenen Art so zu verbessern, daß sie stabil betrieben werden kann und auch größere zeitliche Verschiebungen zwischen dem Wärmeanfall im Verdampfer und der Wärmeabgabe im Kondensator überbrückt.

Diese Aufgabe wird mit dem kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 1 gelöst, denn der im verbindenden Wärmeübertrager und die ggf. nach den Ansprüchen 2 und 3 bei Wärmepumpenbetrieb bzw. Kälteanlagebetrieb im Kondensator und Verdampfer angebrachten Wärmespeicher speichern Wärme für den Fall, daß der Niederdruckkreislauf am Wärmeübertrager mehr Wärme anliefert, als vom Hochdruckkreislauf gerade abgenommen wird und umgekehrt. Je nach Bemessung des Wärmespeichers können die beiden Kreisläufe auch zeit lich getrennt betrieben werden; d. h., daß ein Kreislauf in Betrieb ist, während der andere stillsteht. Dies ermöglicht eine flexiblere Betriebsweise, die letztlich die Gesamtwirtschaftlichkeit verbessert. Hierbei kann sich auch eine günstige Ausnutzung der Niedertarif-Stromversor gung für den Antrieb der beiden Verdichter auswirken.

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Für die Wärmespeicher eignen sich neben Einphasenspeichern bevorzugt Latentspeicher, bei denen die hohe Umwandlungswärme des Phasenwechsels fest/flüssig oder flüssig/fest ausgenutzt wird und bei denen die für den wirtschaftlichen Betrieb und thermodynamisch optimale Speichertemperatur du ¹Ch Auswahl eines entsprechend geeigneten Speichermediums vorgegeben werden kann. So kennzeichnen die Ansprüche 4 bLs 7 die Ausbildung der Wärmespeicher.

Die Ansprüche 8 und 9 geben schließlich an, daß die Leistungsziffer des Gesamtsystems durch Einschaltung von je einem Wärmeübertrager in jeden Kreislauf wesentlich erhöht werden kann.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen mit mehreren Ausführungsbeispielen erläutert; dabei zeigt Fig. 1 eine herkömmliche Zweistufen-Kompressions-

Kaltdampfmaschine mit Kaskadenschaltung und Fig. 2 eine sol.che mit Zwischenentspannung in dem die beiden Kreisläufe verbindenden Wärmeüber

trager;

Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Wärmespeicher in verbindenden Wärmeübertrager bei einer Maschine gem. Fig. 1 und
Fig. 4 bei einer Maschine gem. Fig. 2;

erfindungsgemäße Wärmespeicher auch im Verdampfer und Kondensator bei einer Maschine gem. Fig. 1 und

bei einer Maschine gem. Fig. 2; Fig. 7 eine erfindungsgemäße Maschine mit zusätzlichen Wärmeübertrager im Hochdruck- bzw. Niederdruckkreislauf,

Fig. 8 einen erfindungsgemäßen Wärmespeicher im Wärmeübertrager einer Maschine gem. Fig. 6 oder 7 und Fig. 9 einen erfindungsgemäßen Wärmespeicher im Wärmeübertrager Kondensator oder Verdampfer einer Maschine gem. Fig. 5.

Fig.	4
Fig.	5
Fig.	6
Fig.	7

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Fig. 1 und 2 geben den heutigen Stand der Technik wieder. Die in Fig. 1 dargestellte Zweistufen-Kompressions-Kaltdampfmaschine hat einen Niederdruckkreislauf, in den ein Verdampfer 1 zwischen einem Drosselventil 4 sowie einem Verdichter 2 angeordnet ist, ferner einen Hochdruckkreislauf, in dem ein Kondensator 6 zwischen einem Drosselventil 7 sowie einem Verdichter 5 angeordnet ist. Ein unter einem Mitteldruck stehender Wärmeübertrager 3 verbindet diese beiden Kreisläufe indirekt.
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Nach der in Fig. 2 dargestellten Zweistufen-Kompressionskaltdampfmaschine sind die beiden Kreisläufe mit dem verbindenden Wärmeübertrager 3 direkt gekoppelt.

Nach Fig. 3 ist bei einer gem..Fig. 1 ausgebildeten Maschine im Wärmeübertrager 3 ein Wärmespeicher 8, bevorzugt ein Latentwärmespeicher, angebracht, und entsprechend nach Fig. 4 bei einer gem. Fig. 2 ausgebildeten Maschine.

Die Fig. 5 und 6 zeigen die Anbringung eines zusät£;lichen Wärmespeichers 9 oder 9a bei einer gem. Fig. 1 bzw. gem. Fig. 2 ausgebildeten Maschine im Kondensator 6 zum Betrieb der Maschine z. B. als Wärmepumpe, oder im Verdampfer 1 zum Betrieb der Maschine z. B. als Kälteanlage.

Fig. 7 gibt schließlich eine erfindungsgemäße Zweistufen-Kompressions-Kaltdampfmaschine an, deren Gesamtleistungsziffer durch Anbringung je eines Wärmeübertragers 10 bzw. 11 im Niederdruck- bzw. Hochdruckkreislauf erheblich erhöht werden kann. Der Wärmeübertrager 10 ist dabei zwischen Verdampfer 1 und Niederdruckverdichter 2 angeordnet und auf seiner anderen Seite zwischen den unter einem Mitteldruck stehenden Wärmeübertrager 3 und das Drosselventil 4 geschaltet. Der Wärmeübertrager 11 ist dagegen zwischen dem Kondensator 6 und einem zum unter einem Mitteldruck stehenden Wäremübertrager 3 führenden Drosselventil 7 angeordnet und auf seiner anderen Seite zwischen den Wärmeübertrager 10 und den Verdichter 2 des Niederdruckkreislaufs geschaltet.

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Nach Fig. 8 und 9 ist der erfindungsgemäße Wärmespeicher 8 bzw. 9, 9a mit dem unter einem Mitteldruck stehenden Wärmeübertrager 3 bzw. dem Kondensator 6 oder dem Verdampfer 1 zusammengebaut. In dessen Gehäuse 22 ist innerhalb eines Außenrohres 16 ein Innenrohr 17 koaxial angebracht und der dazwischen gebildete Hohlraum durch querliegende Ringplatten 12 unterteilt; zwischen diesen befindet sich eine Wärmespeichermasse 13, 7 bevorzugt eine Latentspeichermasse.

Der in Fig. 8 dargestellte Wärmeübertrager 3 mit Wärmespeicher 8 wird bei den Maschinen gem. Fig. 4, 6 und 7 verwendet. Von den vier Rohrstutzen des Gehäuses 22 ist der Stutzen 19 mü der Druckseite des Verdichters 2, der

1[j Stutzen 20 mit der Saugseite des Verdichters 5 und der Stutzen 21 mit der Eintrittssei.te des Ventils 4 verbunden.

Der in Fig. 9 dargestellte Wärmeübertrager mit Wärmespeicher 8 wird in eirer Maschine gem. Fig. 3, 5, 6 und 7 verwendet. Wird das Gehäuse 22 mit einem Wärmespeicher 8 für den Mitteldruck-Wermeübertrager 3 gem. Fig. 3 und 5 bestückt, so wird von den zwei Rohrstutzen des Gehäuses 22 wieder der Stutzer 18 mit der Austrittsseite des Ventils und der Stutzen 1S mit der Saugseite des Verdichters 5 verbunden. Das in diesem Fall das Gehäuse 22 und den umschlossenen Raum durchdringende Innenrohr 17 ist mit seinem Stutzen 20 mit der Druckseite des Verdichters 2 und mit seinem Stutzen 21 mit der Eintrittseite des Ventils 4 verbunden. Wird dieses Gehäuse 22 mit einem Wärmespeicher 9 oder 9a für den Kondensater 6 bzw. den Verdampfer 1 gem. Fig. 5, 6 und 7 bestückt, so wird der Stutzen 18 mit dem Ventil 7 bzw. das Ventil 4 und der Stutzen 19 mit der Druckseite des Verdichters 5 bzw. mit der Saugseite des Verdichters 2 verbunden. Die 5tutzen 20 und 21 sind dabei an eine äußere Wärmesenke bzw. an eine Wärmequelle angeschlossen.

Claims

Patentansprüche:

Mehrstufige Kompressions-Kaltdampfmaschine, im wesentlichen bestehend aus mindestens zwei Kältemittelkreislaufen, mit jeweils einem Verdichter und einem Drosselventil in jedem Kreislauf und einem Verdampfer im Niederdruckkreislauf und einem Kondensator im Hochdruckkreislauf, sowie mindestens einem , die Kreisläufe verbindenden, unter einem Mitteldruck stehenden Wärmeübertrager für direkte oder indirekte Wärmeübertragung dadurch gekennzeichnet,

daß in den unter einem Mitteldruck stehenden Wärmeübertragern (3) ein Wärmespeicher (8) angebracht ist (Fig. 3,4).
2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß zum Betrieb als Wärmepumpe auch der im Hochdruckkreis angeordnete Kondensator (6) einen Wärmespeicher

20 (9) aufweist.
3. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß zum Betrieb als Kälteanlage auch der im Niederdruckkreis angeordnete Verdampfer (1) einen Wärmespeicher (9a) aufweist.

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4. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

daß wenigstens ein Teil der Wärmespeicher (8, 9, 9a) untereinander gleich ausgebildet ist. 5
5. Maschine nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,

daß Wärmespeicher als Latentspeicher ausgebildet sind.
6. Maschine nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,

daß jeder Wärmespeicher (8, 9, 9a) mit dem unter einem Mitteldruck stehenden Wärmeübertrager (3) bzw. dem Kondensator (6) oder dem Verdampfer (1) zusammengebaut ist, wobei im umschlossenen Raum eines Gehäuses (22) mit vier Anschlußstutzen (18,19, 20,21) ein Außenrohr (16) mit einem koaxialen Innenrohr (17) angebracht und der zwischen Außen- und Innenrohr bestehende Hohlraum durch querliegende Ringplatten (12) unterteilt ist, zwischen denen sich eine Wärmespeichermasse (13) befindet (Fig. 8, 9).
7. Maschine nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,

daß das Innenrohr (17) das Gehäuse (22), dessen umschlossenen Raum durchdringt und in zwei Stutzen (20, 21) übergeht (Fig. 9).
8. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,

daß im Niederdruckkreislauf zwischen dem Verdampfer (1) und dem Niederdruckverdichter (2) ein Wärmeübertrager (10) angeordnet ist, der auf seiner anderen Seite zwischen den unter einem Mitteldruck stehenden Wärmeübertrager (3) und am Drosselventil (4) des Verdampfers (1) geschaltet ist (Fig. 7).

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9. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,

daß im Hochdruckkreislauf zwischen dem Kondensator (6) und einem zum unter einem Mitteldruck stehenden Wärmeübertrager (3) führenden Drosselventil (7) ein Wärmeübertrager (11) angeordnet ist, der auf seiner anderen Seite zwischen den Wärmeübertrager (10) und den Verdichter (2) des Niederdruckkreislaufes geschaltet ist (Fig. 7).