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Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmepumpe mit einem aus einem Medium Wärme auf- nehmenden Wärmetauscher und einem Kompressor, bei der die Temperatur des Arbeitsmediums über den Siedepunkt bei Antriebsdruckverhältnissen gebracht ist und ein von der Wärmepumpe getrennter
Kaltdampfkreislauf mit einem Kaltdampfmotor vorgesehen ist, dem die Wärmeenergie höheren Niveaus der Wärmepumpe zugeführt ist, wobei der Kaltdampfmotor den Kompressor der Wärmepumpe mindestens teilweise antreibt.
Wärmepumpen sind bekannt. Dabei wird ein Arbeitsmedium, welches zumindest in einem Ar- beitsbereich gasförmig ist, im gasförmigen Zustand komprimiert und gibt Wärme ab. Das Arbeitsmedium wird sodann wieder entspannt und dadurch abgekühlt. Das abgekühlte Arbeitsmedium wird zu einem Wärmetauscher geführt und im Wärmetauscher auf die Temperatur gebracht, die das wärmeliefernde Wärmemedium hat. Dieser Wärmequelle (Wärmemedium), die Luft, Erde, Wasser, irgendein Abwärmemedium od. dgl. sein kann, wird die Wärmeenergie entnommen. Durch neuerliches Komprimieren wird das nun energiereichere Arbeitsmedium wieder auf ein höheres Energiepotential gebracht.
Die Energie, die abgegeben werden kann, setzt sich zusammen aus der Energie, die zur Komprimierung des Arbeitsmediums benötigt wird und der Energie, die im Wärmetauscher entnommen wurde.
Bei den bisher bekannten Wärmepumpen ist es notwendig, einen Teil der ihr entnommenen Energie in Form von Bewegungsenergie der Wärmepumpe zuzuführen, die zur Komprimierung und dem Betrieb der Pumpe benötigt wird. Es handelt sich also bei einer Wärmepumpe um einen Vorgang der Wärmezufuhr, der umgekehrt bei Kühlschränken zur Wärmeabfuhr benutzt wird.
Ferner ist es bei Grossanlagen zur Energieumwandlung bekannt, die bei Wärmepumpen notwendige Dekompression zum Antrieb eines Energie liefernden Motors zu verwenden, wobei die dabei gewonnene elektrische Energie zum Antrieb weiterer Aggregate und Kompressoren verwendet ist. Weiter ist es bei einer Wärmepumpe mit nur gasförmigem Wärmemediumkreislauf bekannt, je einen Kompressor und einen Dekompressionsmotor mit einer gemeinsamen Welle zu verbinden.
Die Erfindung setzt es sich zum Ziel, die aus der Wärmepumpe gewonnene Energie in andere Energiearten, insbesondere auch in Bewegungsenergie, umzusetzen und weiter die Zufuhr von Fremdenergie zum Antrieb der Wärmepumpe, die nicht aus dem abwärmeangetriebenen Wärmemedium entstammt, zu reduzieren oder zur Gänze auszuschliessen.
Dieses Ziel wird dadurch erreicht, dass der Kompressor der Wärmepumpe und der Kaltdampfmotor in an sich bekannter Weise durch einen mechanisch gekoppelten Antrieb verbunden sind und dass der Kaltdampfmotor mit einer Vorrichtung zur Abgabe von Kraft nach aussen ausgestattet ist.
Das Prinzip der Erfindung besteht darin, dass ein Teil der von der Wärmepumpe abgegebenen Energie in mechanische Energie umgewandelt wird und diese mechanische Energie zum Antreiben des Motors der Wärmepumpe verwendet wird. Dadurch wird man von Fremdenergie unter Voraussetzung entsprechender Wirkungsgrade unabhängig und kann sowohl Wärmeenergie als auch die zum Antrieb nötige Bewegungsenergie einem Abwärmemedium entnehmen. Die Kraft kann in eine verwendbare Energieform, also z. B. in Antriebsenergie, oder in eine Wärmeenergieform mit höherer
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nun ein Wärmepumpenaggregat, welches keine oder zumindest weniger Fremdenergie für seinen Antrieb benötigt, sondern bei dem die Wärmepumpe von einem Motor getrieben wird, dessen Energiebedarf sie selbst ganz oder teilweise liefert und dessen Verlustwärme zu Nutzungszwecken als Kraftfluss oder Wärme abgegeben wird.
Insbesondere ist dabei an einen Niedertemperatur-Kondensationsdampfmotor (Gasexpansionsmotor) gedacht. Die für den Antrieb des Niedertemperatur-Kondensationsdampfmotors benötigte Energie wird dabei von der Wärmepumpe jeweils aus den beispiels-
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bereich liegt und durch entsprechende Druckvariationen verschoben werden kann, wie dies z. B. von Wärmepumpen und von z. B. Kühlschränken bekannt ist. Es sind dies z. B. Ammoniak, COs, Freon, Difluorchlormethan.
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Zur Verbesserung des Wirkungsgrades und der Erhöhung der z. B. abzugebenden Kraftleistung kann es zweckmässig sein, dass mehrere Aggregate und/oder Kaltdampfmotoren in Serie und/oder
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pumpe und der Kaltdampfmotor in an sich bekannter Weise durch einen mechanisch gekoppelten Antrieb verbunden sind und wenn der Kaltdampfmotor mit einer Vorrichtung zur Abgabe von Kraft nach aussen ausgestattet ist. Es ist auch möglich, dass für die Wärmepumpe und den Kaltdampfkreislauf Maschinen mit direktem Antrieb einer Welle, wie Wasser-, Dampf- oder Gasturbinen oder Kreiselpumpen, Schrauben- oder Schneckenmaschinen, mit gemeinsam, an sich bekannter, gekoppelter Welle und zur Entspannung, zum Komprimieren und zum Pumpen vorgesehen sind.
Die Verwendung von fremder Antriebsenergie für den Start ist fakultativ. Es ist z. B. möglich, dass die zum Start nötige Energie zum Antrieb des Motors gespeichert wird. Dazu wird aus dem zeitlich vorgegangenen Betrieb des thermodynamischen Wärmetransformers so viel Energie abgezweigt und konserviert, z. B. Druckwasser, Druckluft, thermische, chemische, elektrische oder andere Energieformen, dass der Start des thermodynamischen Wärmetransformers autark erfolgen kann.
Durch entsprechende Ausgestaltung von Wärmetauschern ist es selbstverständlich möglich, gleichzeitig aus mehreren der genannten, die speichernde Wärme enthaltenden Medien, z. B. Wasser, Luft, Erde, Wärme zu entnehmen oder aus einzelnen der genannten Medien.
Verwendet werden kann die erfindungsgemässe Wärmepumpe für alle Kraftfluss oder Wärme benötigenden Prozesse, z. B. im Betrieb von Gebäudeheizungen, Warm- und Heisswasserversorgungen, Klimageräten, Kühlmaschinen, Versorgung, Kraftfahrzeugen, wie z. B. Lokomotiven, Schiffen, stationäre oder mobile Kraftwerke, Arbeitsmaschinen und Apparate aller Art, usw. Die Wärmeenergie wird z. B. dem Meer-, Fluss-, See- oder Grundwasser, der Luft, der Erde, Kernenergieprozessen,
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unnütze Abwärme zur Gewinnung von Kraft und Nutzwärme für Haushalt und Industrie usw. gewonnen werden, all dies ohne bzw. mit verminderten Energieformen, die nicht aus dem gegenständlichen Prozess stammen.
Es ist zweckmässig, wenn in der Wärmepumpe als Druckreduzierorgan ein durch Abarbeiten des Flüssigkeitsdruckes Energie liefernder Motor (Flüssigkeitsmotor, Turbine, Kolbenmaschine, Schraube, Schnecke) vorgesehen ist, um Energieverluste zu vermeiden.
Die Erfindung ist an Hand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert, ohne sich darauf zu beschränken. Fig. l zeigt eine schematische Ansicht einer erfindungsgemässen Wärmepumpe und Fig. 2 eine schematische Ansicht zur Erläuterung des Wärme- und Energieflusses einer Wärmepumpe gemäss Fig. 1.
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über einen Wärmekreislauf-6-, z. B. einem Rohrkreislauf, der mit Wasser oder einem andern Wärme transportierenden Wärmemedium gefüllt ist, zugeführt wird.
Der Elementarwärmetauscher-l- überträgt seine Wärme einem weiteren Wärmekreislauf, bestehend aus den Leitungen --4, 10,7 und 5--, wobei dei Leitung --4-- zwischen dem Elementarwärmetauscher-l-und einem Kompres-
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--8--,tauscher --3-- und die Leitung --7-- zwischen dem Übergangswärmetauscher --3-- und einem doppelt wirkenden Kolbendosierzylinder, der als Druckreduzierorgan funktioniert und dabei Energie gewinnt, ausgebildet ist und die Leitung --5-- zwischen dem Dosierzylinder --9-- und dem Elemen- tarwärmetauscher-l-angeordnet ist.
In dem Kreislauf sind die zur Umsteuerung des Dosierzylinders --9-- und die zum Betrieb des Kompressors --8-- notwendigen Leitungsverzweigungen und Umsteuerventile sowie eventuell notwendige Rückschlagventile angeordnet, die jedoch, da sie jedem Fachmann geläufig sind, nicht im Detail eingezeichnet sind, was auch für die weiter beschriebenen Wärmekreisläufe gilt. In den Leitungen --7 und 10, 17, 20-- herrscht Druck, in den Leitungen-4.
5,14, 15-niederer Druck. In den Leitungen --4, 10,14, 20-- ist das Medium verdampft, in den Leitungen --5, 7, 15, 17--flüssig.
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Dieser Wärmekreislauf ist mit einem Wärmemedium gefüllt, welches bei dem niederen Leitungsdruck und der Temperatur im Elementarwärmetauscher-l-Energie aufnimmt und verdampft, nach Passieren der Leitung --4-- im Kompressor --8-- unter höheren Druck gesetzt wird, bei dem hohen Leitungsdruck und der Temperatur im Übergangswärmetauscher Wärmeenergie abgibt und kondensiert und nach Entspannung im Dosierzylinder --9-- die Eigenschaft hat, vom flüssigen Zustand in der Leitung --5-- auf Grund der Erwärmung im Elementarwärmetauscher-l-in den gasförmigen Zustand überzugehen. Über eine Kolbenstange --27-- sind Kolben des Kompressors --8-- und Dosier- zylinders -9-- sowie eines weiteren später beschriebenen Dampfmotors --18-- und einer Kesselspeisepumpe --19-- sowie einer Startvorrichtung --11-- gekoppelt.
Mit Hilfe dieser Anordnung kann man die über die Leitung -6-- zugeführte Wärmeenergie mit Hilfe des Kompressors --8-- auf ein Potential im Wärmetauscher --3-- auf eine Temperatur anheben, die gut und leicht als Nutzwärme oder aber auch als Arbeitswärme zum Antrieb von entsprechend gestalteten Verdampfungsmotoren mit einem Verdampfungsmedium, dessen Verdampfungsbereich im Arbeitsbereich des Kreislaufes liegt,
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flüssiges Medium in den Wärmetauscher --3-- gepumpt wird, dort verdampft, in die Leitung --20-- abgegeben wird und einem Dampfmotor --18-- zugeführt wird.
Der abgearbeitete, noch heisse Dampf wird über eine Leitung --14-- einem Nutzwärmetauscher --2-- zugeführt. in welchem das Kreis- laufmedium kondensiert und über eine Leitung --15-- einer Keselspeisepumpe --19-- zugeführt wird, womit der Kreislauf geschlossen ist. Wie erwähnt, reduziert das Bewegungsenergie abgebende
Druckreduzierorgan --9-- die erforderliche Leistung des Dampfmotors --18--.
Die in der Dampfmaschine --18-- gewonnne Bewegungsenergie wird über die gemeinsame Kolben- stange --27-- zum Antrieb des Kompressors --8-- verwendet. Ferner ist ein Starter --11-- vorge- sehen, der Energie speichert, die zum erstmaligen Ingangsetzen des Prozesses (Starten) dient.
Das Energieübertragungsschema ist in Fig. 2 gezeigt. Es wird dabei sowohl für die Wärme- pumpe --22-- als auch für den Dampfmotor ein Wirkungsgrad der erzeugten Kraftleistung zur zu- geführten Energie bzw. der Wärmeleistung zur zugeführten Energie von 33% angenommen. Der Wärme- pumpe -22-- wird danach 2/3 Elementarwärme 21 und 1/3 Antriebsenergie 28'zugeführt. Die Wärmepumpe --22-- entspricht in Fig. 1 dem Elementarwärmetauscher-l-und dem Kompressor --8-- und der Speisepumpe-19-. Abgegeben wird Antriebswärme 23 (Summe von 21 + 281), die über den Wärmetauscher oder über ein anderes Übertragungssystem --24-- dem Dampfmotor zugeführt wird.
Das Übertragungssystem entspricht im wesentlichen dem Wärmetauscher --3-- aus Fig. 1 und der Kolben- stange-27-. Im Dampfmotor-25- (entspricht-9 und 18--) wird entsprechend dem angenommenen Wirkungsgrad Antriebsenergie --28-- abgegeben, welche zum Betrieb der Wärmepumpe --22-- (entspricht Pumpen-8 und 19--) verwendet wird. Die Verlustwärme --26-- wird als Nutzwärme abgegeben (gemäss Fig. 1 im Nutzwärmetauscher --2--).
In den Zeichnungen sind nicht eingezeichnet die Umsteuerventile für Kompressor-Dampfmotor und Kesselspeisepumpe und Dosierzylinderpumpe. Desgleichen nicht die Verdampfungsdüsen und weitere Details, die bei Wärmepumpen und Verdampfungsmotoren an sich bekannt und üblich sind.
Es können dabei alle üblichen bekannten Ausführungen von Wärmemotoren, Verdampfungsmotoren, Dampfmaschinen, Pumpen usw. verwendet werden. Zum Beispiel können Kreiselmotoren, Kreiselpumpen usw. verbunden werden, wobei die Kopplung statt mit einer Kolbenstange mit einer durchgehenden Welle erfolgt. Falls es der Wirkungsgrad erfordert und andere Antriebsgeschwindigkeiten für Dampfmotoren und Pumpen notwendig sind, kann die Kopplung der Dampfmotoren und der Pumpen über ein entsprechend ausgelegtes Getriebe erfolgen. Wärmeverluste können dadurch vermieden werden, dass die Wärmetauscher um die Motoren angeordnet werden, so dass der Wärme- übergang nahtlos und verlustarm erfolgen kann.
Die Vorrichtung ist überall dort zweckmässig, wo Wärmepotentiale zur Verfügung stehen, in Temperaturbereichen, die eine Ausnutzung nicht ohne weiteres ermöglichen und die Transformierung auf ein anderes Temperaturpotential zweckmässig erscheinen lassen. Ferner ist es dort zweckmässig, wo Mangel an Antriebsenergie oder deren hoher Preis für eine Wärmepumpe besteht bzw. die Antriebsenergie zur Gänze wegfallen soll und kann.
Dabei ist es sowohl möglich, die Wärme herab-als auch hinauf zu transformieren. Es müssen nur geeignete Verdampfungsmedien, die bereits angeführt wurden und die bekannt sind, verwendet
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werden, deren Verdampfungs- und Verflüssigungsbereich das beschriebene Verfahren gestattet.
Bei entsprechend günstigen Wärmeverhältnissen läuft die Vorrichtung nach einem Start von selbst.
Selbstverständlich ist es möglich, falls infolge ungünstiger Temperaturverhältnisse der Wirkungs- grad nicht ausreicht, Fremdenergie zuzuführen, die auch dann kleiner ist als bei den bisher üblichen Wärmepumpen. Es ist auch möglich, die abgegebene Nutzwärme weiter zum Antrieb von Ver- dampfungsmotoren zu verwenden bzw. weitere Vorrichtungen in Serie anzuschliessen und die Abwärme diesen Vorrichtungen zuzuführen oder mehrere Vorrichtungen parallel zu schalten.
Zum Beispiel kann man bei Schaltung der Dampfmotoren in Serie in der Weise, dass die Verlustwärme des ersten
Dampfmotors (66 2/3%) zum Betreiben eines zweiten Dampfmotors verwendet wird, 1/3 der Ver- lustwärme des ersten Dampfmotors herausholen, was den Wirkungsgrad von 33, 5% (einfache Anlage) auf 55, 5% (Zweistufenanlage) für Krafterzeugung bringt. Bei drei Stufen ergibt sich in gleicher
Konsequenz ein Wirkungsgrad von 70%, bei vier Stufen 80%, bei fünf Stufen 87%, bei sechs Stufen
91% und bei sieben Stufen 94% Wirkungsgrad für Krafterzeugung, wobei der Rest auf 100% auch nicht verloren geht, weil er als Wärme noch immer zur Verfügung steht.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Wärmepumpe mit einem aus einem Medium Wärme aufnehmenden Wärmetauscher und einem Kompressor, bei der die Temperatur des Arbeitsmediums über den Siedepunkt bei Antriebsdruckverhältnissen gebracht ist und ein von der Wärmepumpe getrennter Kaltdampfkreislauf mit einem Kaltdampfmotor vorgesehen ist, dem die Wärmeenergie höheren Niveaus der Wärmepumpe zugeführt ist, wobei der Kaltdampfmotor den Kompressor der Wärmepume mindestens teilweise antreibt, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor (8) der Wärmepumpe und der Kaltdampfmotor (18) in an sich bekannter Weise durch einen mechanisch gekoppelten Antrieb verbunden sind und dass der Kaltdampfmotor (18) mit einer Vorrichtung zur Abgabe von Kraft nach aussen ausgestattet ist.