DE2810247A1 - Verfahren und vorrichtung zum waermeaustausch zwischen fluiden - Google Patents

Description

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GEM 403/7? D Γ .. „tart«.«,

FRSN 77 07041 ^- Br. Dleterv.Bezold

filed March 9, 1977 Dipl.-ing. Petsr schütz

DIpI.-Ing. Wolfgang Heusl« 8 München 86, Postfach 660868

GEM Gompagnie Electro-Mecanique 12, rue Portalis, 1-75383 Paris - Gedex 08

Verfahren und Vorrichtung zum Wärmeaustausch zwischen

Fluxden

Der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum so reversiblen Austauschen wie möglich von Wärme zwischen wärmetragenden Fluidströmen, wobei wie auch immer die Austauschbedingungen sein mögen, diese verschiedenen wärmetragenden Ströme insbesondere Wärme heranführen oder wegnehmen können, welche verfügbar ist bei konstanter Temperatur (Verdampfer oder Kondensator) oder einer abgestuften Temperatur (wobei die Ströme fühlbare Wärme in Gang setzen)<,

Es ist bereits ein Verfahren zum Wärmeaustausch zwischen Fluiden bekannt, mit Hilfe welches man in einen wärmetragenden Flüssigkeitsstrom, indem man dessen Temperatur anhebt, eine Wärme übertragen kann, die sich in der Form einer latenten Wärme

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eines kondensierenden Dampfs darstellt, welche auf tiefem Niveau verfügbar ist. Dieses Verfahren sowie gleichfalls die für seine Durchführung vorgesehene Wärmepumpe sind in der Französischen Patentschrift 7 511 ^38 beschrieben. Dabei ist die Wärmepumpe gekennzeichnet durch einen vielstufigen Kompressor, welcher aufweist eine Eintrittsstufe für ein erstes Fluid von der Form eines sich sättigenden Dampfs sowie eine Aufeinanderfolge von Zellen, wobei jede Stufe und ihre zugehörige Zelle einen Modul bilden und die Zellen in Reihe angeordnet sind und untereinander in Verbindung stehen durch kalibrierte Öffnungen in Höhe des Kondensats des ersten Fluids, eine Mehrzahl von Bündeln zur Kühlungs-Kondensation, welche in einer entsprechenden Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Zellen angeordnet sind, wobei die Mehrzahl von Bündeln wenigstens den Zellen mit den höchsten Drücken zugeordnet sind, und zwar in einer Anzahl von einem Bündel pro Zelle, Einrichtungen zum Einführen eines zweiten Fluids in das erste Bündel dieser Mehrzahl und Einrichtungen zum Abziehen des Fluids aus dem Bündel der letzten Zelle (welche der Stufe mit dem höchsten Druck zugeordnet ist), sowie ferner Einrichtungen zum Abziehen des ersten Fluids auf der Höhe der ersten Zelle in vollkommen flüssigem Zustand.

Ferner sind in der Französischen Patentanmeldung 76 14-.965 vom 18. Mai 1976 mit dem Titel "Verfahren und Vorrichtung zum Wärmeaustausch zwischen Fluiden" Einrichtungen beschrieben, mittels welcher von einem ersten Fluid herangeführte Wärme dazu verwendet wird, ein zweites Fluid vom flüssigen Zustand in den Zustand eines sich sättigenden Dampfs zu bringen. Eine derartige Einrichtung ist insbesondere in dem Fall anwendbar, in welchem man bei Vorsehen einer auf niedrigem Niveau verfügbaren fühlbaren Wärme in einer Flüssigkeit, wie beispielsweise geothermischer Salzlösung, eine Übertragung der Wärme auf eine andere Flüssigkeit, wie beispielsweise Süßwasser, wünscht, wobei man das Temperaturniveau dieser Wärme anhebt; oder in dem Fall, in welchem man bei einer Flüssigkeit mit einer Temperatur T^ deren Temperatur bis auf einen Wert Tq absenkt, und wobei man die so freige-

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machte Wärme zum Erwärmen einer anderen Flüssigkeit mit einer Temperatur T~ ^au^ eine Temperatur T- verwendet, wobei das Mittel der Temperatüren To und T, größer ist als das Mittel der Temperaturen Tq und T,.. In diesem Pail arbeitet man mit drei Fluiden, wobei beispielsweise das erste die geothermische Salzlösung ist, das zweite Amoniak und das dritte Süßwasser. Die Vorrichtung gemäß der vorstehend beschriebenen Französischen Patentanmeldung findet Anwendung in dem Fall, wenn T₀^ T^ «üT^T, sowie auch wenn T_Q < T₂-< T₁ <_ T₅.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das allgemeine Problem zu lösen, bei welchem man einen Wärmeaustausch zwischen einer Mehrzahl von wärmetragenden Strömen herbeiführen will, welche sich in einem Temperaturbereich von T₀-T_n befinden, wobei diese Ströme von vornherein vorgeschrieben sind und die Austauschvorgänge zwischen diesen Strömen aus dem Gleichgewicht gebracht sind, und bei welchem man die Wärmeaustauschvorgänge wieder ins Gleichgewicht bringen will, wobei man zum System nur eine minimale Wärmemenge hinzufügt und nur eine minimale Arbeit aufwendet.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erfindungsgemäß durch dessen Kennzeichenmerkmale sowie mittels einer Vorrichtung gemäß dem Kennzeichen des Anspruchs 10 gelöst.

Weitere Erfindungsmerkmale ergeben sich aus den übrigen Ansprüchen. Insbesondere umfaßt das erfindungsgemäße System in einer bevorzugten Ausführungsform eine Kompressor-Vorrichtung und eine Turbinen-Vorrichtung. Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung bildet man die Anlage derart aus, daß man die Zellen der einander benachbarten Stufen der beiden Mehrzahlen von Stufen der Vorrichtungen unterschiedlicher Art zusammenlegt derart, daß man nur eine einzige Zelle pro Stufe bildet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung schematisch

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dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schema von Verdichterstufen,

Fig. 2 ein Schema von ähnlichen Erwärmungsstufen,

Fig. 3 ein Schema von ähnlichen Kühlungsstufen,

Fig. 4- ein Schema einer Einrichtung, welche Komplexe von Erwärmungszellen und Komplexe von Kühlungszellen vereinigt,

Fig. 5 ein der Fig. U- entsprechendes Schema mit unterschiedlichen Temperaturbedingungen,

Fig. 6 ein Schema einer generellen Stufe der erfindungsgemäß verwendeten Verdichter-Vorrichtung.

Fig. 7 ein Schema zur Veranschaulichung der Vereinigung einer Mehrzahl von wärmetragenden Strömen in einer Verdichter -Vorrichtung.

Fig. 8 ein Schema einer generellen Stufe der erfindungsgemäß verwendeten Turbinen-Vorrichtung.

Fig. 9 ein Schema zur Veranschaulxchung der Verbindung einer Mehrzahl von wärmetragenden Strömen in einer Turbinen-Vorrichtung und

Fig. 10 ein Schema zur Veranschaulxchung einer erfindungsgemäßen Anlage, in welcher eine Verdichter-Vorrichtung und «ine Turbinen-Vorrichtung gekoppelt sind,

Zu-allererst seien anhand der Figuren 1 bis 5 die Wärmeaustauscheinrichtungen von der Art beschrieben, wie sie bei dem Verfahren gemäß der oben genannten Französischen Patentanmeldung 76 14-.965

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verwendet werden.

Man führt den Wärmeaustausch in einer Aufeinanderfolge von Druck- und Temperaturstufen durch zwischen einerseits einem kondensierbaren Dampf bei Anwesenheit seiner Flüssigkeit, einer hier mit "Übertragungsfluid" bezeichneten Flüssigkeit und andererseits wärmetragenden Fluiden mit fühlbarer Wärme, welche in Wärmeaustauscherbündeln zirkulieren, die in Reihe die Zellen durchsetzen; jede Zelle erhält von der vorangehenden Zelle tieferen Drucks eine bestimmte Menge von Dampf des Übertragungsfluids mit Hilfe eines Verdichters; gleichfalls überführt sie auf dieselbe Zelle mit Hilfe einer kalibrierten Öffnung eine exakt gleich große Flüssigkeitsmenge; die drei Zuflußmengen, Dampf, Flüssigkeit und wärmetragendes Fluid, bringen sich durch Kontakt in thermodynamisches Gleichgewicht während ihres Durchtritts durch die Zelle:

Die Menge des wärmetragenden Fluids, welche aus der benachbarten Zelle stammt, begibt sich auf die Temperatur der betreffenden Zelle, d.h. die Sättigungstemperatur für den Druck dieser Zelle, da der Dampf des Übertragungsfluids sich dort in Anwesenheit seiner Flüssigkeit befindet; wenn die Menge des wärmetragenden Fluids aus der vorangehenden Zelle mit tieferen Druck/Temperatur-Werten kommt, entnimmt sie Wärme von der Zelle, man sagt folglich, daß die Zelle abgekühlt wird; wenn die Menge des wärmetragenden Fluids aus der nachfolgenden Zelle mit höheren Druck/Temperatur-Werten kommt, gibt sie Wärme an die Zelle ab; man sagt somit, daß die Zelle erwärmt wird.

Die Menge der Flüssigkeit des Übertragungsfluids, welche aus der höheren Zelle mit höheren Druck/Temperatur-Werten stammt, "schlägt um", wenn sie in der betreffenden Zelle ankommt, d.h. sie wandelt sich plötzlich in Dampf um.

Die Menge des Dampfs des Übertragungsfluids, welche aus dem Verdichter austritt und in der Zelle überhitzt ankommt, wird von ihrer Überhitzung befreit und begibt sich auf die Sätti-

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gungsbedingungen bei Anwesenheit der Flüssigkeit.

Die Enthalpiebilanz der Zelle findet statt: entweder bei einer Verdampfung der Flüssigkeit; in diesem Fall verringert sich die Menge der Flüssigkeit des Übertragungsfluids, welche zur vorangehenden Zelle mit tieferen Druck/Temperatur-Werten hinabströmt, und die Dampfmenge, welche zur nachfolgenden Zelle mit höheren Druck/Temperatur-Werten zurücksteigt, nimmt zu,

oder bei einer Kondensation; in diesem Fall nimmt die Flüssigkeitsmenge des Übertragungsfluids, welche zur vorangehenden Zelle mit tieferen Druck/Temperatur-Werten hinabströmt, zu, und die Dampfmenge, welche zur nachfolgenden Zelle mit höheren Druck/Temperatur-Werten zurücksteigt, nimmt ab. Gemäß Konvention sagt man, daß der Rang oder die Ordnung der Zelle größer wird, wenn man sich von den niedrigen Druck/Temperatur-Werten zu den hohen Druck/Temperatur-Werten begibt, wobei die Ordnung mit 1 bis η beziffert wird.

Fig. 1 enthält ein Schema einer üblichen Stufe 1 in Verbindung mit ihren beiden benachbarten Stufen 2 und 3; die Stufe 1 üt in ihrem oberen Teil 4- mit Dampf des Übertragungsfluids in sich sättigendem Zustand gefüllt, wobei sich im unteren Teil 5 der Stufe 1 Flüssigkeit dieses Übertragungsfluids befindet. Die Stufe 1 wird mit Dampf des Übertragungsfluids versorgt, welcher aus der Stufe 2 niedrigerer Ordnung stammt und nach seinem Durchtritt durch den Verdichter 6 komprimiert und überhitzt ist. Die Stufe 1 erhält gleichfalls von einer höheren Stufe 3 Flüssigkeit des Übertragungsfluids mittels eines Rohrs 7, welches kalibrierte Öffnungen 8 aufweist, durch welche die Flüssigkeit "hindurchschießt". Schließlich wird die Stufe 1 von einem wärmetragenden Strom durchsetzt, welcher durch ein Wärmeaustauscherbündel 9 strömt. In einer Aufeinanderfolge von Erwärmungszellen, welche in Reihe von einem wärmetragenden Fluid durchlaufen werden, das beim Strömen in Richtung der abfallenden Ordnungen

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Wärme heranführt, hört die Dampfmenge, welche in die Stufen

• τ-,·, * -r> * * ^ _a wiederaufsteigt

in Richtung der großer werdenden Ordnungen/nicht aur zuzunehmen, während die Flüssigkeitsmenge, welche die Stufen in Richtung der kleiner werdenden Ordnungen herabströmt, nicht aufhört,

1-1· j «jn -Jj- /Fiüssigkei±smenge₄die kleiner zu werden. An der Grenze wird die/in aer^öZeIle von der Ordnung 1 ankommt, vollkommen verdampft.

Eine derartige Aufeinanderfolge von Erwärmungszellen weist in Höhe der Zelle der höchsten Ordnung η auf:

a) Einen Einlaß für die Flüssigkeit des Übertragungsfluids,

b) einen Auslaß für den Dampf desselben Fluids und

c) einen Einlaß für das wärmetragende Fluid.

Andererseits weist sie in der Höhe der Zelle von der Ordnung 1 nur einen Auslaß für das wärmetragende Fluid auf.

Die von dem wärmetragenden Fluid abgegebene Warme wurde folglich dazu verwendet, um die eintretende Flüssigkeit zu verdampfen, und sie ist folglich in dem austretenden Dampf verfügbar auf dem Temperaturniveau der letzten Stufe in der Form von latenter Kondensationswärme.

Fig. 2 zeigt eine derartige Aufeinanderfolge von Erwärmungsstufen.

Im ausgewählten Beispiel findet man vier Stufen, welche aufeinanderfolgend mit 1', 2¹, 3¹ und 4·' beziffert sind und deren Ordnung in Richtung anwachsender Drücke und Temperaturen zunimmt, wobei die den Stufen 1', 2', 3' und 4' zugeordneten Verdichter mit 6' gekennzeichnet sind. Andererseits entspricht die Organisation einer Stufe 1¹ bzw. 2' bzw. 3¹ bzw. 4-¹ der der Stufen 1 bzw· 2. bzw. 3 gemäß Fig. 1. Die vier Stufen V, 2', 3', 4¹ werden durchsetzt:

a) Von den Dampf mengen des tlbertragungsfluids, weichein Reihe in den vier Stufen in Richtung anwachsender Ordnungen strömen,

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b) den Flüssigkeitsmengen, welche in Reihe in den vier Stufen in Richtung abfallender Ordnungen strömen, und

c) dem wärmetragenden Strom, welcher bei 10' eintritt und bei 11' austritt und die vier Stufen in Reihe in Richtung abfallender Ordnungen durchsetzt.

Die Stufe 1¹ ist eine besondere Stufe, da sie keinen Verdichter aufweist und die Gesamtheit der Flüssigkeitsmenge dort verdampft wird.

Insgesamt stellt sich also eine Aufeinanderfolge von Erwärmungsstufen sowie eine Anlage dar, die völlig vom wärmetragenden Strom durchsetzt wird, der in Richtung abfallender Ordnungen strömt, und aus dem Dampf des Übertragungsfluids tritt bei 12' in Höhe der Stufe 4-' mit den höchsten Druck/Temperatur-Werten eine gleich große Flüssigkeitsmenge des Übertragungsfluids auf, welche bei 7' in dieselbe Zelle eingeleitet wird.

Ebenso hört in einer Aufeinanderfolge von Abkühlungszellen, welche in Reihe von einem wärmetragenden Fluid durchlaufen werden, das beim Strömen in Richtung größer werdender Ordnungen Wärme abzieht, die Dampfmenge, welche in die Stufen in Richtung größer werdender Ordnungen wieder aufsteigt, nicht auf kleiner zu werden, während die Flüssigkeitsmenge, welche die Stufen in Richtung abfallender Ordnungen herabströmt, nicht aufhört, größer zu werden. An der Grenze wird die Dampfmenge, welche in der Zelle der höchsten Ordnung ankommt, in ihrer Gesamtheit kondensiert.

Eine derartige Aufeinanderfolge von Zellen weist folglich auf der Höhe der ersten Zelle auf:

a) Einen Einlaß für den Dampf des Übertragungsfluids,

b) einen Auslaß für die Flüssigkeit desselben Fluids, und für dieselbe Menge, ·

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c) einen Einlaß für das wärmeabführende Fluid, und auf der Höhe der Zelle von der höchsten Ordnung nur einen Auslaß für das wärmetragende Fluid. Die Wärme, welche von dem Dampf des Übertragungsfluids herangeführt wurde, wurde folglich zum Anwärmen des wärmetragenden Fluids bis auf die Temperatur der letzten Zelle verwendet.

Fig. 3 zeigt eine derartige Aufeinanderfolge von Abkühlstufen. Man erkennt vier Stufen, welche aufeinanderfolgend mit 1", 2", 3" und 4-" beziffert sind, mit ihren zugehörigen Verdichtern 6", sowie dem wärmeabführenden Strom, welcher bei 10" in die Zelle der Ordnung 1 eintritt und bei 11" der Stufe 4-" mit den höchsten Druck/Temperatur-Werten austritt. Die Mengen des Dampfs und der Flüssigkeit des Übertragungsfluids strömen auf gleiche Weise wie weiter oben beschrieben. Die letzte Stufe 4-" ist eine besondere Stufe aufgrund dessen, daß sie weder einen Zufluß von Flüssigkeit des F.T.=Übertragungsfluids noch einen Abfluß von Dampf aufweist, und daß die Gesamtheit der Dampfmenge dort kondensiert wird. Insgesamt stellt sich somit ein derartiger Abkühlkomplex wie eine Anlage dar, die vollkommen von dem wärmetragenden Strom durchsetzt wird, der in Richtung der steigenden Temperaturen strömt, und bei welcher auf der Höhe der Stufe mit den niedrigsten Druck/Temperatur-Werten Dampf des Übertragungsfluids eintritt und eine gleich große Menge Flüssigkeit austritt.

Eine Aufeinanderfolge oder ein Komplex von Stufen, welcher nicht von einem wärmetragenden Strom durchsetzt wird, wird "adiabatischer Komplex" genannt. In einem derartigen Komplex tritt auf der Höhe der Stufe mit der tiefsten Temperatur eine Dampfmenge ein, und diese tritt auf der Höhe der Zelle mit den höchsten Druck/Temperatur-Werten des Dampfs des Übertragungsfluids zur gleichen Zeit aus, in welcher die gleiche Flüssigkeitsmenge eintritt, wobei die.se Mengen größer sind als die, welche in der ersten Zelle mit dem niedrigen Niveau dieses Komplexes in Gang

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gesetzt wurden.

Um die Wärme eines wärmetragenden Stroms, welche auf niedrigem Niveau zwischen den Temperaturen T_Q und T^. verfügbar ist, auf einen anderen wärmetragenden Strom zwischen den Temperaturen To und T_-1 zu übertragen, wobei diese Temperaturen im Mittel höher sind, verbindet man zwei Komplexe von Zellen, nämlich einen zum Aufwärmen und den anderen zum Abkühlen, auf die nachfolgenden Arten:
a) Wenn die Abstufung der Temperaturen derart ist:

T₀^ T₁ ^ T₂ ^ T₃,

verbindet man einen Komplex von Aufwärmstufen, welche zwischen Tq und T, arbeiten, einen Komplex von adiabatischen Stufen, welche zwischen T„ und T₂ arbeiten, sowie einen Komplex von Abkühlstufen, welche zwischen T₂ und T^ arbeiten, wobei man die Ströme sowohl des Dampfs als auch der Flüssigkeit des Übertragungsfluids in Reihe anordnet in Höhe der Grenzflächen zwischen Komplexen unterschiedlicher Art mit den Temperaturen T_x. und T~.

Das Schema einer derartigen Einrichtung ist in Fig. 4- dargestellt. Man erkennt einen Aufwärmkomplex 10, welcher von einem wärmetragenden Strom durchsetzt wird, der bei 12 mit der Temperatur T. eintritt und bei 13 mit der Temperatur T_Q austritt, einen Abkühlkomplex 14-, welcher von einem wärmetragenden Strom durchsetzt wird, der bei 15 niit der Temperatur T₂ eintritt und bei 16 mit der Temperatur T* austritt, sowie einen adiabatischen Komplex 17· Die drei Komplexe 10, 14, 17 werden in Reihe durchsetzt von der Dampf- und der Flüssigkeitsmenge des Übertragungsfluids, welche man vom Aufwärmkomplex 10 zum adiabatischen Komplex 17 und umgekehrt bei 18 bzw. 19 und vom adiabatischen Komplex 17 zum Abkühlkomplex 14 und umgekehrt bei 20 bzw. 21 strömen sieht.

b) Wenn die Abstufung der Temperaturen derart ist:

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haben die beiden wärmetragenden Ströme einen gemeinsamen Temperaturbereich T₂-T,.. Man verbindet dann einen Komplex von Aufwärmstufen, welche zwischen T_Q und T₂ arbeiten, einen Komplex von Stufen, welche zwischen T₂ und T. arbeiten, die auf einmal von den zwei aufwärmenden und abkühlenden wärmetragenden Strömen durchlaufen werden, sowie einen Komplex von Abkühlstufen, welche zwischen T₂ und T^ arbeiten, wobei man einerseits die Ströme sowohl des Dampfs als auch der Flüssigkeit des Übertragungsfluids auf der Höhe der Grenzflächen zwischen Komplexen unterschiedlicher Natur mit T₂ und T. und andererseits die Enden der wärmetragenden Aufwärmströme an der Grenzfläche T₂ und die Enden der Abkühlströme bei der Grenzfläche T^. anordnet.

Ein Schema einer derartigen Vorrichtung ist in Fig. 5 dargestellt.

Darin sind erkennbar ein Aufwärmkomplex 31, bei. welchem die Temperaturen der kältesten bzw. der wärmsten Zelle T_Q und T₂ sind, einen Abkühlkomplex 32, bei welchem die Temperaturen der kältesten bzw. der wärmsten Zelle T^, und T^ sind, sowie einen zwischengeschalteten Komplex 33« Der aufwärmende wärmetragende Strom tritt bei 34- in den zwischengeschalteten Komplex 33 ein, verläßt diesen bei 35 mit einer Temperatur, welche etwas höher ist als T₂, tritt bei 36 in den Erwärmungskomplex

31 mit derselben Temperatur an und verläßt diesen bei 37 mit der Temperatur Tq. Der Abkühlstrom tritt bei 38 mit der Temperatur T₂ in den zwischengeschalteten Komplex 33 ein, verläßt diesen bei 39 niit einer Temperatur, welche etwas kleiner ist als T_x., tritt bei 4-0 mit derselben Temperatur in den Aufwärmkomplex

32 ein und verläßt diesen bei 4-1 mit der Temperatur T,.

Die Dampf- und Flüssigkeitsströme des Übertragungsfluids durchsetzen die drei Komplexe 31» 32, 33 in Reihe wie oben beschrieben.

Bei den vorstehend beschriebenen Einrichtungen gemäß der Figuren

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4- und 5 ist es vorgesehen, daß man die den aufeinanderfolgenden Stufen entsprechenden Verdichterräder verbindet, indem man sie an einer einzigen oder mehreren Wellen befestigt· Andererseits ist es vorgesehen, die Austauscherbündel in einer begrenzten Anzahl von benachbarten Zellen (beispielsweise zwei oder drei) der Seite der größten Druck/Temperatur-Werte, auf der Höhe der Ankunft des Erwärmungsfluids und der Seite mit den tiefsten Druck/Temperatur-Werten auf der Höhe der Ankunft des

/ZU verlangern
Kühlfluidsr. Ventile sind vorgesehen in mehreren benachbarten der Zellen, bevor diese im nominalen Lauf die Temperaturen T. und To ^an ^er ein.©¹¹ und der anderen Seite dieser haben, damit man die Fluide sowohl zum Aufwärmen als auch zum Kühlen einführen kann, wenn diese von außen auf nichtnominalen Wegen mit Temperaturen T_x.' und T~', welche sich von den Temperaturen T_x, und Tq unterscheiden, in den Zellen ankommen, wo die den Temperaturen T ¹^. und T¹O am nächsten liegenden Temperaturen herrschen.

Die vorliegende Erfindung hat ein System zum Gegenstand, welches einen Wärmeaustausch zwischen einer Mehrzahl von wärmetragenden strömen ermöglicht, die Wärme auf irgend eine der nachfolgenden Arten (bei konstanter Temperatur oder bei abgestuften Temperaturen) heranführen oder abführen.

In diesem Fall ist der Aufbau der allgemeinsten Stufe der Anlage in Fig. 6 dargestellt. Die Funktionsweise dieser Stufe ist analog der der vorstehend beschriebenen und dargestellten Einrichtungen hinsichtlich der Zirkulation des Dampfs und der Flüssigkeit des Ubertragungsfluids. In der Zelle der Stufe, mit welcher ein Verdichter 60 verbunden ist, befinden sich:

a) Fühlbare Wärme tragende Ströme, welche Austauscherbündel wie beispielsweise 51 und 52, durchsetzen, welche in Richtung auf die abfallenden Ordnungen verlaufen und Wärme heranführen oder wie beispielsweise 53» welches in Richtung größer werdender Ordnungen verläuft und Wärme abzieht.

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b) latente Wärme tragende Ströme, welche Wärmeaustauscherbündel} wie beispielsweise 5*b durchsetzen, das ein Kondensatorbündel für das Übertragungsfluid und ein Verdampferbündel für ein verdampfbares Fluid ist, das in flüssiger Form bei 56 ankommt und in Dampfform bei 57 austritt, und wie beispielsweise 55» welches ein Verdampferbündel für das Übertragungsfluid und ein Kondensatorbündel für ein kondensierbares Fluid ist, das in Dampfform bei 58 ankommt und als Flüssigkeit bei 59 austritt.

Sämtliche wärmetragende Ströme tauschen ihre Wärme in derselben Zelle mit Hilfe des Übertragungsfluids aus. Wenn die Enthalpiebilanz der Stufe derart ist, daß die von der Gesamtheit der wärmetragenden Ströme herangeführte Wärme, vermehrt um die Arbeit des Verdichters, größer ist als die für die Gesamtheit der wärmetragenden Fluide abgezogene Wärme, gibt der Wärmeüberschuß Anlaß für eine Erzeugung von Dampf des Übertragungsfluids, wobei die Menge der zu diesem Zweck in Gang gebrachten und vom Dampf des Übertragungsfluids getragenen Wärme von den Kompressoren, zu den Stufen höherer Ordnung befördert wird, wo sie gebraucht wird. Wenn die Enthalpiebilanz hingegen eine Unbilanz der Warme in den Austauschvorgängen ergibt, erhält man die fehlende Wärmemenge aus der Kondensation des Dampfs des Übertragungsfluids. Dieser Dampf, welcher aus dem Wärmeüberschuß in den in den Stufen niedrigerer Ordnungen stattfindenden Wärmeübergängen erzeugt worden ist, ist gerade der Überschuß, welcher in der augenblicklichen Stufe verbraucht werden wird.

Die Einrichtung zur Vereinigung irgend einer Anzahl von wärmetragenden Strömen ist in Fig. 7 beschrieben. Sie weist aufeinanderfolgende Komplexe auf, von denen jeder von einer bestimmten Anzahl von wärmetragenden Strömen durchsetzt wird» Man unterscheidet in der Fig. 7 sechs Komplexe, welche mit 61 bis 66 in der Ordnung der Temperaturabstufungen beziffert sind, wobei jeder

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Komplex eine bestimmte Anzahl von Stufen aufweist: Der Komplex

61 weist drei Stufen 611, 612, 613 und der Komplex 62 weist drei Stufen 621, 622, 623 auf. Der Komplex 63 enthält zwei Stufen 631 und 632. Der Komplex 64- umfaßt vier Stufen 64-1, 64-2, 64-3 und 64-4·. Der Komplex 65 weist zwei Stufen 651, 652 und der Komplex 66 weist drei Stufen 661, 662, 663 auf.

Die Komplexe 61 bis 66 sind in Reihe an den Dampf- und ITüssigkeitsströmen des Übertragungsfluids angeordnet: Der Dampf dieses Übertragungsfluids strömt aufeinanderfolgend von den Komplexen 61 bis 62, 62 bis 63, 63 bis 64·, 64- bis 65, 65 bis 66 jeweils durch zugehörige Rohrstutzen 625, 635, 64-5, 655, 665» wobei die Flüssigkeit des übertragungsfluids aufeinanderfolgend von den Komplexen 66 bis 65, 65 bis 64-, 64- bis 63, 63 bis 62,

62 bis 61 jeweils durch zugehörige Rohrstutzen 656, 64-6, 636, 626 und 616 strömt. In Fig. 7 sind ferner ersichtlich:

a) zwei wärmetragende Ströme 67 und 68 fühlbarer Wärme, welche aufgewärmt werden,

b) drei wärmetragende Ströme 69, 70, 71 fühlbarer Wärme, welche abgekühlt werden,

c) einen wärmetragenden Strom 72 kühlender latenter Wärme (Kondensator des Übertragungsfluids),

d) einen wärmetragenden Strom 73 aufwärmender latenter Wärme (Verdampfer des Übertragungsfluids)*,

e) der Komplex 61 wird von dem wärmetragenden Strom 67 durchsetzt,

f) der Komplex 62 wird von den wärmetragenden Strömen 67 und 69 durchsetzt, und die Stufe 623 wird ferner vom wärme

Strom 73 durchsetzt,

g) der Komplex 63 wird von den wärmetragenden Strömen 67, 68 und 69 durchsetzt,

h) der Komplex 64- wird von keinem wärmetragenden Strom durchsetzt,

i) der Komplex 65 wird vom wärmetragenden Strom 70 und die Stufe 652 wird ferner vom wärmetragenden Strom 72 durchsetzt,

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k) der Komplex 66 wird von den wärmetragenden Strömen 70

und 71 durchsetzt,
1) die Zellen 623 und 652 werden von den wärmetragenden Strömen 73 "bzw. 72 durchsetzt.

In der Stufe 611 wird der gesamte von der Flüssigkeit des Übertragungsfluids kommende Dampf kondensiert.

Wenn man im Sinne der vorliegenden Erfindung mehrere Ströme von vornherein gegebener fühlbarer oder latenter Wärme zu verbinden wünscht, wobei jeder von ihnen durch vorgeschriebene Werte der Menge des wärmetragenden Fluids und der Eintrittsund Austrittstemperaturen des Systems charakterisiert ist, welche sie vollkommen definieren, sollen besondere Vorrichtungen genommen werden.

An erster Stelle soll die Wärme, welche insgesamt in die Vorrichtung hineingetragen wird, vermehrt um die Arbeit der Kompressoren, genau gleich groß sein der aus der Vorrichtung abgeführten Wärme.

In den nachfolgenden Ausführungen wird außerdem auf eine ideale Funktionsweise der Maschine Bezug genommen, welche nur reversible Vorgänge enthält und eine einfache Formulierung ermöglicht« Eine derartige Maschine weist eine unendliche Anzahl von Stufen mit Kompressoren mit Einhextswxrkungsgrad auf sowie Austauschvorgänge mit Null-Unterschieden der Temperatur.

Irgend eine Stufe dieser Maschine wird von einer bestimmten Anzahl von fühlbare Wärme tragenden Strömen mit den Mengen /U,., n₂ *·» P-_n ^un<i eier Massenwärme C., G₂ ... C_n. Man zählt die Ai^ positiv, wenn sie in Richtung abfallender Temperaturen strömen, und negativ, wenn sie in Richtung steigender Temperaturen strömen. Es gilt:

^{G β} ^A⁰X - 16 -

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Die Gesamtheit sämtlicher wärmetragenden Ströme befindet sich in einem Temperaturbereich zwischen T_Q und T_n, wobei der gesamte Temperaturbereich der Maschine somit in Temperaturintervalle (T₀, T₁), ... (T₁, T_{± + Λ}) ... (T_n-1^T_n) eingeteilt, in welchen die warmetragenden Ströme dieselben bleiben. In dem Komplex von Stufen, welcher irgend einem Intervall T_-, T- , . entspricht,

bleibt G konstant und gleich G. . _Λ. Es seien m. bzw. m. . die Mengen des Übertragungsfluids, welche in diesen Komplex eintreten bzw. aus ihm heraustreten, L₁ und L₁₊₁ die latenten Wärmen der Verdampfung des Übertragungsfluids bei T₁ und T₁₊^· Es ergibt sich, daß man für einen derartigen Komplex, unter der bisherigen Annahme des Fehlens eines wärmetragenden Stroms latenter Wärme, die folgende Beziehung hat:

• ·

^mi+1 ¹X-H _ ^mi i η

T. _Λ - ^~ ^{+ G}i

Für mehrere in Reihe angeordnete Komplexe, welche

aC +1 ..., k, k+1, ... ρ-1,fi bezeichnet sind, kann man gleichfalls schreiben:

Wenn diese Komplexe in Eeihe außerdem, bei Temperaturstufen T., wärme tragende Ströme latender Wärme aufweisen, welche durch Einführung einer Menge Am. der Flüssigkeit gekennzeichnet sind, wobeiAm. positiv zählt, wenn es sich um eine Dampfmenge handelt, und negativ, wenn es sich um eine Flüssigkeitsmenge handelt, kann man schreiben:

^It+1 ♦ ^

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Für die Gesamtheit von η Komplexen der Maschine soll man folglich haben:

T₁- ⁼ °

Diese Gleichlang läßt nur die verbundenen Größen in die Definition der wärmetragenden Ströme eingehen, welche man verbinden will. Im allgemeinen ist für eine gegebene Gruppe von wärmetragenden Strömen die vorstehende Gleichung nicht von vornherein gesichert, und man hat die Beziehung:

= A

T.

Erfindungsgemäß führt man folglich in die Vorrichtung eine zusätzliche Heizung oder Kühlung mit Hilfe von wärmetragenden Strömen ein, welche sein können:

a) wärmetragende Fluide fühlbarer Wärme, gekennzeichnet durch die Größen G . und die Temperaturen T , T .,p

b) wärmetragende ■ Fluide latenter Wärme, gekennzeichnet durch die Mengen Δ cu» die Temperaturen T., die latenten Verdampfungswärmen L ,

und wobei gilt:

Somit ermöglicht die Erfindung, die Wärmeaustauschvorgänge in dem System unendlich vieler Arten ins Gleichgewicht zu bringen, welche nur von einem einzigen Freiheitsgrad abhängen. Zum Beispiel:

a) Wenn man eine Wärmequelle, gebildet durch ein wärme tragendes Fluid fühlbarer Wärme, zwischen den Temperaturen T und T, anordnet, kann man in die Maschine einen ergänzenden wärme tragenden Strom einführen, in welchem eine Menge zirkuliert, die

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man etwa an einen derartigen Wert anpaßt:

^Ga,b^L°^s — = -A
a

b) Wenn man eine Quelle latenter Wärme bei einer Temperatur T anordnet, Kann man einen wärmetragenden Strom in die Zelle bei derselben Temperatur von der Menge Aq einführen, wie beispielsweise:

Man stellt fest, daß diese Resultate qualitativ gültig bleiben für eine reale Maschine, die eine endliche Anzahl von Stufen, reale Verdichter und Unterschiede in den Austauschtemperaturen aufweist, welche nicht Null sind. Indessen führt man in diesem letzten Fall die wärmetragenden Ströme in die Stufen derart ein, daß man zwischen den Temperaturen der Fluide und den Temperaturen der Stufen eine Temperaturdifferenz hat, welche einem Temperaturunterschied des Austauschs in der gewünschten Richtung entspricht.

Es ist ferner zu bemerken, daß im Falle der idealen Maschine die Dampfmenge des Fluids, welches aus der Stufe irgendeiner Ordnung V austritt, gleich ist:

φ r* φ «—» ν *

'S* y G L i+1 V Q ^m.

1 ' i ^-1

m_v =

Die Menge m-Jiat physikalisch nur Sinn, wenn sie positiv ist: Sie drückt aus, daß die Massenbilanz der Flüssigkeitsmengen, welche aufgrund des bei den realen Austauschvorgängen in den Stufen bei tieferen Temperaturen in Gang gebrachten Wärmeüberschusses verdampft werden, und die aufgrund des Fehlens von Wärme in denselben Stufen kondensierten Mengen positiv sind. Wenn die Bilanz Null passieren würde und negativ werden würde, würde dies anzeigen, daß in den gegebenen wärmetragenden Strömen Wärme bei hohem Niveau existiert, welche man herabsetzen muß

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auf die kleiner -werdenden T_emperaturen, um die Austauschvorgänge wieder ins Gleichgewicht zu bringen.

Es ist festzustellen, daß diese Resultate qualitativ gültig bleiben für eine reale Maschine. Diese Bedingung, welche tatsächlich die Grenzen der Anwendung des Verfahrens festlegt, kann "Anwendungsbedingung von Kompressor-Vorrichtungen" genannt werden, wobei der Ausdruck "Kompressor-Vorrichtung" eine vollständige Gesamteinrichtung darstellt, wie sie weiter oben beschrieben wurde.

Gemäß einem anderen Merkmal betrifft die Erfindung auch eine Vorrichtung, welche wärmetragende Ströme aufweist in dem Fall, wenn die Austauschvorgänge ein Ungleichgewicht durch einen Überschuß bei hohem Niveau und ein Ungleichgewicht durch ein Fehlen bei niedrigem Niveau auftreten lassen.

Man führt dann die Wärmeaustauschvorgänge durch in einem Komplex von Stufen von Druck/Temperatur-Werten zwischen einerseits einem Dampf eines Übertragungsfluids in Anwesenheit seiner · Flüssigkeit und andererseits wärmetragenden Fluiden mit fühlbarer Wärme, welche in Austauscherbündeln zirkulieren, die in Reihe die Zellen durchsetzen, wobei jede Zellevon der "folgenden" Zelle, das heißt von der unmittelbar höheren Ordnung, eine Menge des kondensierbaren Dampfs des Fluids empfängt, welcher sich von dem Druck dieser folgenden Zelle bis auf den Druck der betreffenden Zelle entspann-tj/a*ff dieselbe folgende Z_elle eine Massenmenge desselben Werts der Übertragungsflügsigkeit in flüssiger Form mittels einer Pumpe übergibt, wobei die Austauschvorgänge in einer Zelle durchgeführt werden einerseits zwischen Flüssigkeitsmengen des Übertragungsfluids, wobei sowohl Dampf als auch Flüssigkeit hindurchströmt, und andererseits den fühlbare Wärme tragenden Fluiden, welche in Richtung abfallender Ordnungen strömen und Wärme in die Zelle heranführen, sowie die, welche in die Richtungen ansteigender Ordnungen strömen und Wärme aus der Zelle abziehen, wobei die Bilanz der Zufuhr und der Abfuhr von Wärme für die Zelle bei einem Massenaustausch

809837/0917 "^2o"

zwischen den Strömen des Dampfs und der Flüssigkeit des Übertragungsfluids veranlaßt: Eine Erzeugung von Dampf, wenn die Bilanz insgesamt einer Zufuhr von Wärme entspricht, eine Kondensation des Dampfs, wenn diese Bilanz insgesamt einer Abfuhr von Wärme entspricht. So kann, wenn die Bilanz der Austauschvorgänge in der betreffenden Stufe zu einem Überschuß von Wärme Anlaß gibt, dieser Überschuß in Form latenter Wärme gespeichert werden und zu den Stufen mit niedrigen Druck/Temperatur-Werten befördert werden, um dort verbraucht zu werden. Ebenfalls kann, wenn die Austauschvorgänge ein Fehlen von Wärme veranlassen, die fehlende Wärmemenge durch Kondensation abgezogen werden an der Wärme, welche im Dampf enthalten ist und aufgrund der Überschußwärme in den Stufen höherer Ordnungen erzeugt worden war.

Von einer Stufe zur anderen kann die Entspannung der Dampfmenge erfindungsgemäß in einer Turbine durchgeführt werden, und die Rotoren der Turbine, welche den verschiedenen Stufen entsprechen, können durch Aufkeilen auf eine oder mehrere Wellen miteinander gekoppelt werden.

In diesem Fall ist die Ausbildung der allgemeinsten Stufe der Vorrichtung in Figur 8 dargestellt.

Darin ist eine Austauschzelle 81 dargestellt, welche in ihrem oberen Teil mit Dampf des Übertragungsfluids und in ihrem unteren T_eil mit Flüssigkeit des Übertragungsfluids gefüllt ist und eine Dampfmenge des Übertragungsfluids mittels einer Turbine 82 von der Stufe größerer Ordnung empfängt und dieselbe Menge des Übertragungsfluids in flüssiger Form an dieselbe Stufe mittels einer Pumpe 83 abgibt, während der Dampf des Übertragungsfluids durch einen Rohrstutzen 84- zur Stufe niedrigerer Ordnung strömt. Die Zelle empfängt Flüssigkeit des Übertragungsfluids von derselben Stufe niedrigerer Ordnung über den Rohrstutzen

Diese Zelle wird von mehreren wärmetragenden Strömen durchsetzt?

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a) ein wärmetragender Strom fühlbarer Wärme durchläuft Austauscherbündel, wie beispielsweise das Austauscherbündel 86, welches in Richtung auf die abfallenden Ordnungen verläuft und Wärme heranführt, und wie beispielsweise die Austauscherbündel 88 und 89, welche in Richtung auf die ansteigenden Ordnungen verlaufen und Wärme abziehen.

b) wärmetragende Ströme latenter Wärme durchsetzen Austauscherbündel, wie beispielsweise das Austauscherbündel 9o, welches ein Kondensatorbündel für das Übertragungsfluid und ein Verdampferbündel eines verdampfbaren Fluids ist, das bei 91 flüssig ankommt und bei 92 in Dampfform austritt, und beispielsweise ein Austauscherbündel/^ welches ein Verdampferbündel für ein Übertragungsfluid und ein Kondensatorbündel für ein kondensierbares Fluid ist, das in Dampf form bei 94- ankommt und flüssig bei 95 austritt.

Figur 9 zeigt eine erfindungsgemäß verwendbare Turbinen-Vorrichtung, welche eine Anzahl irgendwelcher wärme tragender Ströme enthält.

Eine derartige Vorrichtung weist eine Aufeinanderfolge von Stufen auf, welche durch die Größe der anwachsenden Druck/Temperatur-Werte geordnet und von 1o1 bis 1o6 beziffert sind. Die Vorrichtung umfaßt ferner:

a) wärmetragende Ströme 107,108 fühlbarer Wärme zum Aufheizen,

b) wärmetragende Ströme 1o9,11o fühlbarer Wärme zum Kühlen,

c) ein Kondensatorbündel 111 und

d) ein Verdampferbündel 112.

In der Z_elle 1o1 wird der eintretende D_ampf vollkommen kondensiert.

In der Zelle 1o6 wird die heranströmende Flüssigkeit vollkommen verdampft. Wenn man mit Hilfe der beschriebenen Erfindung mehrere Wärmeströme verbinden will, deren Charakteristiken von vornherein vorgeschrieben sind, müssen besondere Mittel verwendet werden.

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An erster Stelle soll die in der Vorrichtung durch die wärmetragenden Fluide herangeführte Wärme insgesamt gleich sein der gesamten abgezogenen Wärme, vermehrt um die Summe der Arbeit der Turbinen. Außerdem ist es ratsam, sich auf eine ideale Maschine zu beziehen, die nur reversible Vorgänge enthält.

Wenn man dieselben Bezeichnungen wie für die Kompressoren-einrichtung wieder aufnimmt und bei Einführung der folgenden Zeichenkonvention :

m. >- o, wenn die Dampfmenge des übertragungsfluids in Richtung der ansteigenden Druck/Temperatur-Werte strömt, und

m. ^*o, wenn die Dampfmenge des Übertragungsfluids in Richtung der abfallenden Druck/Temperatur-Werte strömt,

stellt man fest, daß man für die Komplexe mit Turbinen genau dieselben Formulierungen schreiben kann wie für die Komplexe mit Kompressoren.

Man kann folglich die Resultate direkt wieder formulieren entsprechend den oben erhaltenen.

Wenn man bei einer Gruppe von wärmetragenden Strömen, welche von vornherein vorgegeben sind, diese Ströme untereinander verbinden will, indem man das beschriebene Verfahren anwendet, ist es allgemein notwendig, zu dem System wenigstens einen ergänzenden wärmetragenden Strom hinzuzufügen, welcher nur abhängig ist von einem Freiheitsgrad.

Andererseits ist es notwendig, daß für jede Zelle die Wärme, welche insgesamt durch die wärmetragenden Ströme zum Aufheizen in den einzelnen Stufen größerer Ordnungen herangeführt wird, größer als die Wärme ist, welche insgesamt in denselben Stufen für die wärmetragenden Ströme zum Kühlen abgezogen wurde, vermehrt um die gesamte Arbeit der Turbinen in diesen Stufen. Diese Bedingung wird genannt "Anwendungsbedingung der Turbinen-Vorrichtungen" .

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2 S 1024

Kompressor-Vorrichtungen und Turbinen-Vorrichtungen, welche in den Temperaturintervallen (T , T), (T , Tp) ... (T , T), innerhalb welcher entweder die Bedingungen der Kompressoren-Vorrichtungen oder die Bedingungen der Turbinen-Vorrichtungen realisiert werden, wie beispielsweise oben beschrieben.

Wie auch weiter oben aufgezeigt, kann man die Zellen der benachbarten Stufen von zwei Komplexen unterschiedlicher Arten zusammenlegen derart, daß man nur eine einzige Zelle bildet.

Man kann ebenfalls die Enden eines gegebenen wärmetragenden Stroms, welcher zwei benachbarte Komplexe durchsetzt, vereinigen. Es ist in der Tat zu bemerken, daß in dem Fall, wenn man das globale Problem betrachtet, wobei man nur ideale Vorrichtungen in Gang setzt, man weiß, daß man für eine Gruppe Kompressor-Vorrichtungen ebenso wie von Turbinen-Vorrichtungen die Menge des Übertragungsfluids, welche aus einer Zelle von der Ordnung CX durch den folgenden Ausdruck ausdrücken kann:

T.

^{x x}i

myist in den Zellen mit Kompressoren positiv und in den Zellen mit Turbinen negativ.

Die Temperaturintervalle, in welchen man entweder Verdichter-Vorrichtungen oder Turbinen-Vorrichtungen findet, sind folglich definiert durch die jeweiligen Bedingungen:

0 , m_y V 0

Andererseits kann man für die ganze Gesamtheit des Intervalls (T , T) die Bedingungen ausdrücken, welche die ergänzenden wärmetragenden Ströme realisieren sollen, welche man zum System zufügen muß, um die Austauschvorgänge ins Gleichgewicht zu bringen.

Wenn die anwesenden wärme tragenden Ströme etwa sind:

809837/0917 -2'

28102Λ7

so sollen die ergänzenden wärmetragenden Ströme der folgenden Gleichung entsprechen:

m Z- 1 ¹I

Das Zuführen von ergänzender Wärme, um die Austauschvorgänge im gesamten Temperaturbereich (T . T_n) ins Gleichgewicht zu bringen, kann sichergestellt werden durch einen einzigen wärmetragenden Strom und umfaßt nur einen einzigen Freiheitsgrad.

Man stellt fest, daß der vorstehende Vorschlag, dargelegt für ideale Systeme, für reale Systeme gültig ist.

Wenn man wählt, die ergänzende Wärme in Form eines Dampfs zuzuführen, welcher bei einer festen Temperatur kondensiert (entsprechend dem Sättigungsdruck), soll das Austauscherbündel des wärmetragenden Stroms in der Zelle angeordnet sein, deren Arbeitstemperatur im wesentlichen gleich dieser festen Temperatur ist. Die Regelung ergibt sich dann durch die Fluidmenge des kondensierenden Dampfs.

Wenn es zum Herbeiführen des thermodynamischen Gleichgewichts notwendig ist, Wärme wegzunehmen, kann man auf eine Flüssigkeit mit einer Temperatur, deren Siedepunkt benachbart ist, zurückgreifen, welche man in einem Bündel verdampfen kann, das in der bei dieser Temperatur gelegenen Zelle angeordnet ist.

Wenn man wählt, ergänzende Wärme zuzuführen oder wegzunehmen durch eine wärmetragende Flüssigkeit, welche in einem genügend großen Temperaturintervall arbeitet, müssen die Austauscherbündel in der ganzen Gruppe von Zellen angeordnet sein, welche diesem Intervall entspricht, und in der passenden Richtung durchlaufen werden.

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Figur Ίο zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem man eine Verdichter-Vorrichtung und eine Turbinen-Vorrichtung gekoppelt hat.

Bei 113 und 114- sind zwei Stufen größerer Ordnung eines Verdichterkomplexes 11ia gezeigt, welche miteinander in Verbindung stehen über einen Verdichter 115 und ein Sprührohr 116, und ferner ist eine gewöhnliche Stufe 112 der Ordnung i dargestellt, wobei die letzteren Stufen beispielsweise von Kühlbündeln 117 durchsetzt sind und der Komplex zwischenden Temperaturen T und T_-1 arbeitet.

Bei 118 und 119 sind zwei Stufen von niedrigerer Ordnung als ein Turbinenkomplex 12ο gezeigt, arbeitend zwischen den Temperaturen T- und Tp, und bei 121 ist eine gewöhnliche Stufe von der Ordnung j gezeigt, wobei die beiden niedrigeren Stufen durchsetzt sind von einem Kühlbündel 122 und die Zellen miteinander in Verbindung stehen über eine Turbine 123 und eine Pumpe 124.

Um das thermodynamisehe Gleichgewicht des gesamten Systems herbeizuführen, hat man eine Flüssigkeit verwendet, welche bei einer Temperatur verdampft, die der in der Zelle 112 herrschenden Temperatur benachbart ist. Diese Flüssigkeit strömt in einem Bündel 125 und ihre Menge wird durch ein Ventil 126 gesteuert. Die Arbeitsfluide werden als identisch angenommen in dem Kompressorkomplex 111a und dem Turbinenkomplex 12o, und man hat zwischen den Atmosphären der Zellen 114- und 118 einen Rohrstutzen 12? von geeignetem Querschnitt angeordnet.

Es versteht sich, daß der Antrieb des Ventils 126 mit den Daten geregelt werden kann, welche von einem Rechner geliefert werden, der die Mengen der verschiedenen wärmetragenden Fluide in Betracht zieht, die in den zwei Komplexen vorhanden sind, sowie ferner die Temperaturen der Zellen und die Mengen der Übertragungsfluide. Dadurch, daß die Atmosphären der äußeren Zellen 11A- und 118 der beiden Vorrichtungen 111a und12oin Relation gesetzt werden, wird es ermöglicht, ein genaues Gleichgewicht der Temperaturen T. herzustellen, da ja in jeder Zelle die Flüssigkeit

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in Anwesenheit des Dampfs ist und der Rohrstutzen 127 die Atmosphären der beiden Zellen in Verbindung treten läßt. Es ist klar, daß diese Verbindung ersetzt werden kann durch Vereinigung der zwei Zellen 114- und 118 in einer einzigen Zelle.

Schließlich werden die als gemeinsam angenommenen Wellen sämtlicher Kompressoren der Kompressor-Vorrichtung 111a und die als gemeinsam angenommenen Wellen sämtlicher Turbinen der Turbinen-Vorrichtung 12o mittels einer Kupplung 128 mechanisch gekuppelt.

In Figur 1o hat man angenommen, daß die Kühlbündel 117 und 122, welche in den Zellen 114 bzw. 118 angeordnet sind, getrennt sind.

Wenn diese Ströme von Fluiden derselben Art und derselben Menge durchsetzt werden, ist es ferner ersichtlich, daß die Kontinuität der beiden Ströme sichergestellt werden kann,indem man sie verbindet.

Aber es handelt sich dabei nur um einen der zahlreichen Sonderfälle sämtlicher von der Erfindung umfaßter Fälle.

Zum Beispiel hinsichtlich des Übertragungsfluids kann man erfindungsgemäß irgendein Fluid verwenden, welches ein leichtes Befördern von Wärmekalorien oder Kältekalorien ermöglicht, beispielsweise Amoniak, Methanol, Äthanol, die "Frigene", Tetrachlorkohlenstoff CCl^, Schwefelkohlenstoff CS₂, Ä'thyläther, Reinbenzol und selbst Wasser. Die wärmetragenden Fluide können irgendwelche sein. Es kann sich um Fluide handeln, welche vorhanden sind oder in irgendeinem chemischen, energetischen und anderen Prozess verfügbar sind.

Die Erfindung ermöglicht dann, ein Minimum an Wärme und Arbeit aufzuwenden um die Wärmeaustauschvorgänge zwischen Fluiden ins Gleichgewicht zu bringen. Sie ermöglicht so eine optimale Energiebilanz.

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Die Erfindung kann auf viele verschiedene Weisen Anwendung finden, für industrielle Verfahren und Heizungen, für städtische Heizungen sowie für drittrangige Anwendungsfälle. Die erfindungsgemäße Anlage kann gleichfalls als Wärmepumpe jeder Leistung verwendet werden.

Die Erfindung wurde außerdem noch anhand eines konkreten Beispiels einer Verbindung von Wärmeschaltungen veranschaulicht. Die vorhandenen wärmetragenden Ströme waren die folgenden ( wobei q die kalorische Kapazität ist): I. Fühlbare Wärme

a) zufügend (5ooo kW zwischen 2oo und 25o°C,g.= I00 kW/°C

(4-OOO kW zwischen 80 und 12o°C,gp= I00 kW/°C

b) abziehend(4-2oo kW zwischen I80 und 24-O⁰G,g' = -?o kW/°O

(28oo kW zwischen 170 und 21o°C,g'₂= -7o kW/°C ( 600 kW zwischen Ho und 15o°C,g' = -15 kW/°C (3150 kW zwischen 22o und 265°G,g'^= -7o kW/°C

II.Latente Wärme

a) zufügend 1731 kW bei 265° C

b) abziehend 667 kW bei 14-O°C.

Bestimmte dieser Ströme bilden einen Teil der Verfahrensschritte, andere wurden ergänzend hinzugefügt, um die Energiebilanz im Griff zu halten. Das gesamte System ist folglich im Gleichge-r wicht.

Die nachfolgende Tabelle zeigt die Charakteristiken der Anlage gemäß der Erfindung, wie sie in diesem konkreten Fall angewendet wurden. Man hat hinsichtlich des Maschinenschemas die verschiedenen physikalischen Größen, welche mit dem Problem zu tun haben, bei sämtlichen Temperaturniveaus dargestellt: Wärmen und Arbeiten, welche in sämtlichen Temperaturintervallen in Gang gesetzt wurden, Menge des Arbeitsfluids an den Grenzen der Intervalle, etc..· .

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Das in der Maschine verwendete Arbeitsfluid ist Wasser. Insgesamt führt man dem System zu:

(9ooo kW Wärme

(779 kW mechanische Kompressorenergie und man führt ab:

(175o kW Wärme

( 82 kW mechanische Turbinenenergie.

Die zum System zugeführte mechanische Energie beträgt folg insgesamt 697 kW.

Schließlich ist zu bemerken, daß der Durchfluß von dem Kompressorkomplex zu dem Turbinenkomplex in der Rechnung von natürlicher Art erscheint aufjdem Temperaturniveau, bei welchem der Ausdruck mL Null durchläuft und negativ wird.

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Claims (1)

1. Ansprüche

   Verfahren zum Wärmeaustausch zwischen einer Mehrzahl von wärmetragenden Strömen, welche sich auf Temperaturniveaus T bis T befinden, im Hinblick auf ein Ins-Gleichgewicht-Bringen der jeweiligen Temperaturen der Ströme, wobei man ein Minimum an Wärme und Arbeit verbraucht, dadurch gekennzeichnet, daß man ein System von Vorrichtungen bildet, nämlich Kompressoren-Vorrichtungen und Turbinen-Vorrichtungen, welche jeweils individuell in begrenzten Temperaturintervallen T bis T.,

   T.bis T₀, T .bis T arbeiten, die Temperaturintervalle die ί c. η—ί η .

   Gesamtheit des Bereichs T bis T bedecken, jede Kompressor-Vorrichtung eine Mehrzahl von in Reihe angeordneten Stufen aufweist, von denen jede Stufe einen Kompressor und eine mit einem Fluid, genannt Übertragungsfluid, gefüllte Zelle aufweist, das Übertragungsfluid in zwei Phasen, nämlich flüssig und dampfförmig, vorhanden ist,Qede Zelle aufweist wenigstens eine kalibrierte Öffnung für den Eintritt der Flüssigkeit, welche von der angrenzenden Zelle mit unmittelbar größerer Ordnung kommt, wenigstens einen Rohrstutzen für das Abströmen des Dampfs zur Stufe unmittelbar größerer Ordnung_s wenigstens einen Rohrstutzen zum Ablassen der Flüssigkeit zur Stufe unmittelbar kleinerer Ordnung, wobei die Zellen in Reihe angeordnet sind in Richtung anwachsender Dampfdrücke und von den wärmetragenden Strömen durchsetzt werden, den einen zum Tragen fühlbarer Wärme, welche in Reihe mehrere aufeinanderfolgende Stufen durchsetzen, und den anderen zum Tragen latenter Wärme, welche der augenblicklich betrachteten Stufe zugeordnet sind, die Stufe der ersten Ordnung keinen Kompressor und keinen Flüssigkeitsauslaß aufweist, während die Stufe der höchsten Ordnung weder einen Dampfauslaß noch einen Flüssigkeitseinlaß besitzt, jede Turbinen-Vorrichtung eine Mehrzahl von in Reihe angeordneten Stufen aufweist, von denen jede Stufe eine Turbine, eine Pumpe und eine mit dem Übertragungsfluid in flüssiger und dampfförmiger Form gefüllte Zelle aufweist, jede Zelle aufweist wenigstens eine Öffnung

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   -VC-

   2B ί U24y

   für den Durchtritt des Dampfs, der von der angrenzenden Stufe unmittelbar höherer Ordnung unter Passieren der Turbine ankommt, wenigstens einen Auslaß zum Abführen der Flüssigkeit mittels der Pumpe zur benachbarten Stufe unmittelbar größerer Ordnung, wenigstens einen Rohrstutzen zum Abführen des Dampfs zur angrenzenden Stufe unmittelbar niedrigerer Ordnung sowie wenigstens einen Rohrstutzen für den Einlaß der Flüssigkeit, welche von der angrenzenden Stufe unmittelbar tieferer Ordnung kommt, diese Zellen in Reihe angeordnet sind nach der Ordnung anwachsender Druck/Temperatur-Werte, und diese Zellen von den fühlbare und latente Wärme tragenden Strömen durchsetzt werden, die Stufe erster Ordnung weder einen Dampfauslaß noch einen Flüßigkeitseintritt und keine Pumpe aufweist, während die Stufe höchster Ordnung weder einen Dampfeinlaß noch einen Flüssigkeitsauslaß und keine Turbine aufweist, die Kompressoren- und die Turbinen-Vorrichtungen zur Bildung der Systeme mechanisch und thermodynamisch gekoppelt sind, wobei eine Verbindung hergestellt ist zwischen den Atmosphären aneinander angrenzender Zellen von zwei mit demselben Arbeitsfluid arbeitenden benachbarten Vorrichtungen, von denen eine eine Kompressor-Vorrichtung und die andere eine Turbinen-Vorichtung ist, und daß man das globale thermodynamisehe Gleichgewicht; des Systems herbeiführt durch Vorsehen wenigstens eines ergänzenden wärmetragenden Stromes mit einstellbaren Charakteristiken.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man sämtliche Kompressoren und sämtliche Turbinen untereinander koppelt.

   5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,dadurch gekennzeichnet, daß das System eine Kompressoren-Vorrichtung und eine Turbinen-Vorrichtung aufweist.

   4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man das System ausbildet, indem man die Zellen benachbarter Stufen von zwei Mehrheiten von Stufen mit Vor-

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   . wHJGifciAL INSPECTED

   richtungen unterschiedlicher Arten zusammenlegt derart, daß man nur einen einzige Zelle pro Stufe bildet.

   5· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4- , dadurch gekennzeichnet, daß das thermodynamische Gleichgewicht des Systans mit Hilfe eines einzigen wärmetragenden Stroms sichergestellt wird, von welchem man wenigstens einen Parameter sich ändern läßt.

   6. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der gewählte Parameter die Menge und/oder die Temperatur des Fluids ist, das in dem wärmetragenden Strom zirkuliert.

   7. Verfahren nach . Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß man zusätzliche Wärme in Form eines bei einer festen Temperatur (welche dem Sättigungsdruck entspricht) kondensierenden D_ampfs zufügt, wozu man das Austauscherbündel des wärmetragenden Stroms in einer Zelle anordnet, deren Arbeitstemperatur im wesentlichen gleich ist dieser Temperatur, wobei sich dann die Regelung einstellt durch die Menge des Fluids des kondensierbaren Dampfs.

   8. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß man tür Herstellung des thermodynamischen Gleichgewichts Wärme vom System entfernt, wozu man zurückgreift auf eine Flüssigkeit mit einer Temperatur, welche ihrem Siedepunkt benachbart ist, wobei man die Flüssigkeit in einem Bündel verdampfen läßt, welches in der Z_elle mit dieser Temperatur angeordnet ist.

   9. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß man zusätzliche Wärme zuführt bzw. abzieht mittels einer wärmetragenden Flüssigkeit, welche in einem genügend großen Temperaturintervall arbeitet, wozu man die Austauscher-bündel in der Gesamtheit der Zellen anordnet, welche diesem Temperaturintervall entsprechen.

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   Ίο. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch die Zuordnung wenigstens einer Kompressor-Vorrichtung (111a) und wenigstens einer Turbinen-Vorrichtung (12ο) zueinander, welche mechanisch und thermodynamisch gekoppelt sind, Einrichtungen (127), welche dazu vorgesehen sind, die Zellen von zwei benachbarten Einrichtungen (114·, 118) in Verbindung treten zu lassen, welche mit demselben Arbeitsfluid arbeiten, von denen die eine mit einem Kompressor (115) und die andere mit einer Turbine (123) versehen ist, sowie durch wenigstens einen ergänzenden wärmetragenden Strom mit verstellbaren Eigenschaften, dessen Austauscherbündel (125) wenigstens eine Z_elle durchsetzt.

   11. Vorrichtung nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Kupplungseinrichtungen (128) einen Motor umfassen, welcher einerseits das Anlaufen der Vorrichtung sowie andererseits die Zufuhr ergänzender Energie zur Vorrichtung oder die Wiederherstellung von Überschußenergie ermöglicht.

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