Um Wärme von einem tieferen auf ein höheres Temperaturniveau zu heben, muß ein Kompensationsprozeß Anwendung finden, so daß die Gesamtentropie aller beteiligten Stoffe nicht abnimmt. Bei den üblichen Wärmepumpen wird ein Kompensationsprozeß mit Arbeitsverbrauch angewandt; der Arbeitsverbrauch beruht auf dem Betrieb eines Kompressors.

Der Publikation von Nesselmann, "Zur Theorie der Wärmetransformation", (Wiss. Veröffentlichungen des Siemens-Konzerns, 12 (1933), S. 89-109) ist entnehmbar, den Kompensationsprozeß auch durch Wärme anzutreiben, und zwar derart, daß bei einer mittleren Temperatur T_o Wärme eingespeist wird und diese sowohl bei einer tieferen Temperatur T₁ als auch bei einer höheren Temperatur T₂ wieder abgegeben wird.

Eine thermische Wärmepumpe, welche mit fossilen Brennstoffen oder Abfallwärme höherer Temperatur betrieben wird und als Verdichteraggregat eine Heißflüssigkeits-Strahlpumpe aufweist, ist bereits aus der Veröffentlichung von Ch. Mostofizadeh in "Elektrowärme intemational" Edition A 35 (1977) A 1, S. A35-A36, bekanntgeworden. In dieser Heißflüssigkeits-Strahlpumpe wird der auf der Saugseite befindliche gesättigte Dampf mit Hilfe der unter hohem Druck stehenden heißen Flüssigkeit verdichtet und auf eine höhere Temperatur gebracht. Dabei sollen die von Dampfstrahlpumpen bekannten hohen Stoßverluste dadurch vermieden werden, daß der Saug-und der Treibstrom erst auf annähernd gleiche Geschwindigkeit und Temperatur expandiert und dann vermischt werden. Abgesehen von den praktischen Regelproblemen, die die Einhaltung dieser Bedingung zwangsläufig mit sich bringen, ist die Anordnung wegen der zusätzlichen Reibungsverluste durch den relativ hohen Anteil von Flüssigkeit im Dampf äußerst problematisch. Derartige Wärmepumpen haben daher wesentliche Nachteile insofern, als das Arbeitsmedium auf eine relativ hohe Temperatur erhitzt und ein Teil desselben . mittels einer Druckpumpe auf den notwendig hohen Betriebsdruck gebracht werden muß und infolge erheblicher Reibungsverluste der Wirkungsgrad relativ niedrig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Anwendung der vorgenannten Theorie eine einfach gestaltete Wärmepumpe zu schaffen, die durch Wärme antreibbar ist. Eine derartige thermische Wärmepumpe wird somit durch das temperaturgefälle zwischen T_o und T₁ angetrieben, wobei der thermische Wirkungsgrad sich aus folgender Beziehung errechnen läßt:wobei 60 der aufgenommene Wärmestrom und 6₂ der Nutzwärmestrom bei der Temperatur T₂ ist.

Derart arbeitende thermische Wärmepumpen sind von großem Interesse zur Ausnutzung der durch Sonneneinstrahlung hervorgerufenen Temperaturdifferenzen, insbesondere zum Zwecke des Aufheizens von Wasser oder anderen Medien für Heizungszwecke, zur Bereitstellung von Warmwasser u.dgl.

Die erfindungsgemäß ausgebildete thermische Wärmepumpe besteht aus einem Wärmerohr, in welchem der zwischen der Wärmeübertragungszone zur Wärmezufuhr und der Wärmeübertragungszone zur Wärmeabfuhr befindliche Dampfkanal einen sich über seine Länge ändernden, die Strömungsgeschwindigkeit des Dampfes zunächst erhöhenden und dann erniedrigenden Querschnitt aufweist und sich im Bereich der erhöhten Dampfgeschwindigkeit eine weitere, dritte Wärmeübertragungszone mit Wärmezufuhr oder -abfuhr befindet. Durch die letztgenannten Maßnahmen wird ein an sich bekanntes Wärmerohr zu einer Wärmepumpe der in Betracht kommenden Art.

Aus der US-PS 35 32 159 ist ein Wärmerohr bekanntgeworden, welches einen starkwandigen zentralen zylindrischen Einsatz aufweist, zwischen welchem und der Wandung des Wärmerohres ein Ringspalt mit über die ganze Länge konstantem Querschnitt für die Rückführung des Arbeitsmediums vorhanden ist und in dessen Mitte ein Strömungskanal angeordnet ist, in welchem an der Stelle des Übergangs von einem engeren Querschnitt zu einem weiteren eine Düse angeordnet ist, um den Wirkungsgrad des Wärmerohres zu verändern, jedoch kann dieses vorbekannte Wärmerohr nicht als Wärmepumpe eingesetzt werden.

Bei einer Ausführungsform des Gegenstands der Erfindung besteht die thermische Wärmepumpe aus einem Wärmerohr, in dressen Dampfkanal zwischen den Wärme- übertragungszonen für die Wärmezu- bzw. -abfuhr an den beiden Enden des Wärmerohres ein die Dampfgeschwindigkeit ändernder Verdrängungskörper angeordnet ist.

Der vor dem Verdrängungskörper befindliche Bereich ist der Verdampferbereich "V", in welchem bei einer mittleren Temperatur T_o der Wärmestrom Q_o zugeführt wird. Der Bereich etwa in der Mitte des Verdrängungskörpers ist der sogenannte Treibkondensatorbereich "TK", in welchem bei einer mittleren Temperatur T" die unterhalb der Temperatur T_o liegt, ein Teil des Dampfes kondensiert, wobei der Wärmestrom Q, abgeführt wird. Hinter dem Verdrängungskörper befindet sich der Nutzkondensatorbereich "NK", in welchem bei einer mittleren Temperatur T₂ der Restdampf kondensiert und der Nutzwärmestrom Q₂ abgegeben wird. Das im Treibkondensatorbereich "TK" und im Nutzkondensatorbereich "NK" anfallende Kondensat wird durch eine geeignete, an sich bekannte Kapillarstruktur, mit welcher die Innenwand des Wärmerohres in üblicher Weise ausgekleidet ist, zum Verdampferbereich "V" zurückgeführt.

Auch kann die Betriebsweise der vorbeschriebenen Ausführungsform der Wärmepumpe gemäß der Erfindung derart abgeändert werden, daß sie thermodynamisch umgekehrt wird, was dazu führt, daß der Treibkondensatorbereich dann zu einem zweiten Verdampferbereich wird. Dadurch kann eine relativ große Wärmemenge von einer tiefen Temperatur zu einer mittleren Temperatur transportiert werden.

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen thermischen Wärmepumpe gehen aus der nachfolgenden Beschreibung und zwechmäßige Ausgestaltungen der Erfindung aus den Unteransprüchen hervor.

Die beiden Figuren 1 und 2 der Zeichnungen zeigen in schematischer Darstellung eine thermische oder Dampfstrahl-Wärmepumpe mit Unterschallströmung im einen Falle und mit Überschallströmung im zweiten Falle.

Die Wärmepumpe für Unterschallströmung nach Fig. 1 besteht aus einem Wärmerohr 11, an dessen Innenwand eine Kapillarstruktur 12 angeordnet ist. Im Innenraum des Wärmerohres 11 befindet sich in gleichmäßigem Abstand von der Kapillarstruktur 12 der Verdrängungskörper 13, der in seinem vorderen Bereich 14 eine Form besitzt, so daß zwischen ihm und der Kapillarstruktur 12 eine Düse 15 gebildet ist, in welcher sich der Querschnitt des Dampfkanals 16 verkleinert. Hinter der Düse verringert sich der Querschnitt des Dampfkanals 16 zwischen dem Mittelstück 17 des Verdrängungskörpers 13 und der Kapillarstruktur 12 infolge der Form des Verdrängungskörpers geringfügig. In diesem Bereich wird durch Kühlung ein Teil des Dampfes kondensiert. Beim gebräuchlichen Wärmerohr stellt sich dabei ein Druck- und Temperaturanstieg ein, der mit der Theorie der Wärmerohre in übereinstimmung steht (vgl. z.B. "Heat pipes" von Dunn und Reay, Abschnitt 2.5.5, Fig. 2.16 und 2.17). Dieser Druck- und Temperaturanstieg wird vorliegend durch die Querschnittsabnahme des Dampfkanals im wesentlichen unterbunden. Der hintere Teil 18 des Verdrängungskörpers 13 ist kegelförmig ausgebildet, so daß sich der Querschnitt des Dampfkanals 16 dem Öffnungswinkel des Kegels entsprechend erweitert und einen Diffusor 19 bildet.

Vorteilhafterweise ist die Kapillarstruktur 12 im Bereich des Verdrängungskörpers 13 im Hinblick auf die hohen Druckunterschiede längs der Wärmepumpe mit einer dünnwandigen Abdeckung 20 versehen, die zur Vermeidung eines Abhebens infolge Unterdrucks ausreichend fest mit der Kapillarstruktur bzw. dem Rohrkörper des Wärmerohres 11 verbunden sein muß. Sie hat den Zweck, das anfallende Kondensat vermittels der Scherwirkung des Dampfstromes auf der Abdeckung zunächst in die Nutzkondensatorzone zu treiben, in welcher der Druck höher ist als in der Verdampferzone, wo er seinerseits höher ist als in der Treibkondensatorzone.

Die thermische Wärmepumpe mit Überschallströmung nach Fig. 2 hat grundsätzlich den gleichen Aufbau wie diejenige nach Fig. 1. Der wesentliche Unterschied besteht darin, daß der Verdrängungskörper 13' derart geformt ist, daß die Düse 15' wie auch der Diffusor 19' einen konvergenten und einen divergenten Teil aufweisen, wobei der Übergang von der Unterschall- zur Überschallströmung jeweils im Bereich der engsten Stelle erfolgt.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen thermische'n Wärmepumpe ist folgende:

• Im Verdampfer 21 wird bei einer mittleren Temperatur T_o der Wärmestrom Q_o zugeführt. In der durch den vorderen Teil des Verdrängungskörpers 13,13' gebildeten Düse 15,15' wird der .Dampf expandiert. Hierbei kühlt er sich ab und kondensiert teilweise im anschließenden Treibkondensator 22,22' bei einer mittleren Temperatur T,<To, wobei der Wärmestrom Q₁ abgeführt wird. Die kinetische Energie des kondensierten Dampfes verbleibt im Restdampf, so daß dessen spezifische kinetische Energie ansteigt. Die üblicherweise in einem Kondensator bei Unterschall- wie auch bei Überschallströmung auftretenden Temperaturänderungen können durch die Expansion des Dampfes im Treibkondensator 22,22' vermieden werden, und zwar durch entsprechende Verkleinerung des Dampfkanalquerschnitts. Im anschließenden Diffusor 19,19' wird der Dampf komprimiert, wobei sich dessen kinetische Energie in Druck umwandelt und die Temperatur des Dampfes ansteigt. Im sich an den Diffusor 19,19' anschließenden Nutzkondensator 23 wird bei einer mittleren Temperatur T₂ der Restdampf kondensiert, wobei der Nutzwärmestrom d₂ abgegeben wird. Da die spezifische kinetische Energie des Dampfes beim Eintritt in den Diffusor 19,19' höher liegt als beim Austritt aus der Düse 15,15' können im Nutzkondensator 23 höhere Temperaturen als im Verdampfer 21 erzielt werden.

Das im Treibkondensator 22,22' und im Nutzkondensator 23 anfallende Kondensat wird über die Kapillarstruktur 12,12' an der Innenwand des Wärmerohres 11,11' zum Verdampfer 21 zurückgeführt.

Für eine thermische Wärmepumpe mit einer Wärmezufuhr von 6_" = 1 kw ist folgende Dimensionierung vorzusehen:

Die mit Unterschallströmung erreichbaren Temperaturdifferenzen betragen nur wenige Prozent der Absoluttemperatur, wie sich aus den vorstehenden Daten ergibt. Mit der thermischen Wärmepumpe mit Überschallströmung lassen sich größere Temperaturdifferenzen erzielen.

Es ist auch eine Ausführungsform der thermischen Wärmepumpe möglich, bei welcher eine Unterschalldüse nach Fig. 1 verwendet wird, der Übergang zur Überschallströmung im Treibkondensator erfolgt und anschließend ein Überschalldiffusor nach Fig. 2 benutzt wird.

Das Kondensat wird in bekannter Weise mittels der Kapillarstruktur an der Innenwand des Wärmerohres zum Verdampfer zurückgeführt. Die Rückführung erfolgt im wesentlichen aufgrund der Kapillarkräfte, die gegebenenfalls durch die Schwerkraft unterstützt werden können. Es ist aber auch möglich, wie erwähnt, zum Antrieb der Flüssigkeitsströmung in der Kapillarstruktur zusätzlich den höheren Druck im Nutzkondensator auszunutzen.

Weiterhin ist es möglich, den abgedeckten Teil der Kapillarstruktur im Inneren des Wärmerohres durch ein oder mehrere Röhrchen, Kanäle od.dgt. zu ersetzen, die gegebenenfalls auch auf der Außenseite des Wärmerohres angeordnet sein können, um die Dampfströmung möglichst wenig zu beeinträchtigen.

Zweckmäßigerweise wird der Verdrängungskörper im Innenraum des Wärmerohres auf einem axial angeordneten Tragstab gelagert, der vorzugsweise thermisch isoliert ausgebildet ist oder aus Wärme schlecht leitendem Material besteht.

Weiterhin kann es vorteilhaft sein, in der Nutzkondensatorzone und gegebenenfalls auch in der Verdampferzone etwa kegelförmige Verdrängungskörper anzuordnen, deren Grundflächen den Stirnflächen des Wärmerohres zugekehrt sind.

Vorteilhafterweise verwendet man ein zylindrisches Wärmerohr mit Kapillarstruktur-Auskleidung und Abdeckung, in welchem ein Verdrängungskörper mit der gewünschten Querschnittsform angeordnet ist. Man kann selbstverständlich auch einen Verdrängungskörper verwenden, der zumindest in seinem mittleren Teil zylindrisch ausgebildet ist, so daß dann die Querschnitte des Dampfkanals in den verschiedenen Bereichen durch die Wände des Wärmerohres bestimmt sind. Diese Lösung ist jedoch weniger vorteilhaft. Die beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen haben wesentliche Vorteile, da Verluste durch Grenzschichtablösung im Treibkondensator und Diffusor und Temperaturverluste durch eine größere Wärmeübertragungsfläche im Treibkondensator vermieden werden; überdies sind die konstruktive Form und die Herstellbarkeit einfach sowie stabil.

Bei einem praktischen Anwendungsbeispiel zum Zwecke optimaler Nutzbarmachung von Solarenergie könnte das Wärmerohr derart angeordnet sein, daß die der thermischen Wärmepumpe im Verdampferbereich zugeführte Wärmemenge Ö_o von Sonnenstrahlen stammt; die Wärmemenge Q, wird durch ein Kühlmittel agbeführt, beispielsweise in einem den Sonnenstrahlen nicht ausgesetzten Bereich, und die im Nutzkondensator anfallende Wärmemenge O₂ könnte zur Aufheizung eines Nutzmediums benutzt werden.

Die erfindungsgemäße thermische Wärmepumpe bietet den Vorteil geringer Verluste, einer kleinen und einfachen Konstriktion sowie der Wartungsfreiheit, woraus sich geringe Anschaffungs- und Betriebskosten ergeben.

Schließlich kann die veränderliche Ausgestaltung des Querschnitts des Dampfkanals des Wärmerohrs auch dadurch erzielt werden, daß der Verdrängungskörper fortgelassen und statt dessen das Wärmerohr querschnittsmäßig entsprechend der erforderlichen Kanalkonfiguration veränderlich ausgebildet wird und somit die gleichen Strömungseffekt erzielt werden wie im Falle der beschriebenen Ausführungsbeispiele.