AT369888B - Anlage zur durchfuehrung eines waermepumpenprozesses fuer heizzwecke - Google Patents

Description

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   Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Durchführung eines Wärmepumpenprozesses für Heizzwecke, insbesondere für das Heizen oder Kühlen von Gebäudeinnenräumen, welche Anlage einen Expander, der durch den unter erhöhtem Druck und erhöhte Temperatur gebrachten Dampf eines Kältemittels betrieben wird, und einen direkt mit dem Expander gekoppelten. Wärmepumpenkompressor umfasst. Das Wirkungsprinzip dieser Anlage beruht im wesentlichen auf einem kombinierten Rankine/Lorenz-Wärmepumpenprozess, bei welchem ein Kältemittel auf Halogenkohlenwasserstoffbasis zum Betrieb des Expanders und ein beliebiger Energieträger zur Beheizung der Kesselanlage dienen können. 



   Für den Antrieb von Krompressorwärmepumpen sind Elektromotoren, aber auch leistungsgeregelte bzw. drehzahlgeregelte Verbrennungsmotoren seit langem bekannt und technisch realisiert. 



  Auch die Verwendung von Turbinenantrieben für grössere Wärmepumpenanlagen ist bereits technisch verwirklicht worden. 



   Während der Antrieb durch Elektromotoren für Kleinanlagen mit einer Wärmeleistung von 5 bis 40 kW an sich ideal ist, liegt-energietechnisch gesehen-ein Nachteil darin, dass die so verwendete Elektroenergie im Regelfall in kalorischen Kraftwerken mit relativ niedrigem Wirkungsgrad, bezogen auf die eingesetzte Primärenergie, erzeugt wird und die dort anfallende Abwärme derzeit meist nicht genutzt wird. Selbst eine hohe Leistungszahl der Wärmepumpenanlage erbringt daher keine entscheidende Verbesserung der Gesamtnutzung des eingesetzten Energieträgers. 



   Eine bessere Nutzung des Energieinhalts des eingesetzten Energieträgers bringt zwar der Diesel- oder Gaskolbenmotor als Antriebsmaschine mit sich, insbesondere wenn die in den Verbrennungsgasen enthaltene Abwärme mitgenutzt wird. Ein wesentlicher Nachteil einer solchen Anordnung ist aber die einem Verbrennungsmotor innewohnende Geräuschentwicklung und Vibrationsneigung sowie die Wartungsnotwendigkeit, wie z. B. Schmierölwechsel usw. ; hinzu kommt die Gebundenheit an einen flüssigen Brennstoff. 



   Bei einer Dampfturbine mit einer sehr kleinen Leistung ergeben sich sehr hohe Drehzahlen, die für den Betrieb eines Kolbenkompressors mittels eines Untersetzungsgetriebes reduziert werden müssen, was wegen der besonderen Schwierigkeit der Getriebeschmierung sowie der hochfrequen- 
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   Gemäss einer besonders günstigen Weiterbildung der Anlage ist der Kältemittelverdampfer, bevorzugt ein Zwangsdurchlaufkessel, mit einem dahintergeschalteten und mit den Rauchgasen bzw. mit dem Wärmeträgermedium im Falle von radioaktiven Zerfallsprozessen beaufschlagten Nacherhitzer für die Nacherhitzung des Heizwassers kombiniert und bildet mit diesem eine Einheit. Durch diese Kombination von Kältemittelverdampfer, dahintergeschaltetem Abhitzekessel für die Nacherhitzung des Heizwassers, wobei auch die Möglichkeit eines reinen Heizbetriebes unter Ausschaltung des Kältemittelverdampfers besteht, wird eine wirtschaftliche und besonders   geräusch- und   vibrationsarme Bereitstellung von Heizwärme kleiner Leistung (5 bis 40 kW) sichergestellt.

   Bei der erfindungsgemässen Anlage kann der Nacherhitzer vorteilhafterweise so angeordnet und dimensioniert werden, dass auch ein Heizbetrieb bei Ausfall der Wärmepumpe möglich ist. 



   In diesem Zusammenhang erweist es sich als besonders günstig, wenn für die Kondensation des aus dem Schraubenexpander austretenden Kältemitteldampfes wenigstens ein Teilstrom des Heizrücklaufwassers verwendet wird. Zu diesem Zweck ist die erfindungsgemässe Anlage vorteilhaft in der Weise ausgestaltet, dass der Kondensator für den aus dem Schraubenexpander austretenden Kältemitteldampf mit dem Heizwasserkreislauf zur Abgabe eines Teils des Wärmeinhalts des Heizrücklaufwassers für die Erwärmung des dem Wärmepumpenkreislauf zugeführten Nutzwärmeträgermediums, wie z. B. Luft, verbunden ist.

   Diese Ausführungsform der Anlage ergibt den Vorteil, dass ein Teil des Heizrücklaufwassers zur Vorwärmung sowie zur Enteisung des Luft/Wärme-Austauschers der Wärmepumpe Verwendung findet bzw. ein Vereisen der Austauschfläche verhindert, wodurch auch eine verbesserte Kondensationswärmeabführung ermöglicht und die Leistungszahl durch Absenkung der Temperaturspreizung verbessert wird. Die Wärmepumpe selbst wird in bekannter Weise betrieben und geregelt. 



   Für die praktische Ausführung der erfindungsgemässen Anlage ist es besonders zweckmässig, wenn alle Teile der Anlage, einschliesslich der Wärmepumpe, auf einem gemeinsamen Träger montiert, kompakt sowie   wärme- und   schallisoliert gekapselt ausgeführt sind. Mit dieser Bauart ist eine besonders weitgehende Nutzung der im Kapselinnenraum aufgenommenen Abwärme möglich. 



   Die erfindungsgemässe Anlage, die eine expanderbetriebene, gekapselte Wärmepumpe in vibra-   tions-und geräuscharmer   Ausführung umfasst, vereinigt die wichtigen Vorteile, dass die anfallende Abwärme weitgehend ausgenutzt wird und dass alle flüssigen und gasförmigen Energieträger direkt oder indirekt zum Betrieb der Anlage eingesetzt werden können, wobei die Umstellung in einfacher Weise durch Austausch bzw. Adaptierung des Brenners vorgenommen werden kann. Ebenso ist eine Beheizung mittels fester Energieträger, wie   z. B.   mit Kohle in   Halbgas- oder Wirbelschicht-   feuerungsanlagen, technisch leicht ausführbar. Ausserdem kann auch die Zerfallswärme von Radioisotopen als Wärmequelle Anwendung finden. 



   Für den Betrieb der erfindungsgemäss arbeitenden Wärmepumpe kann schliesslich eine Mikro-   computer-Steuerungsanlage   eingesetzt werden, die es ermöglicht, je nach Aussentemperatur bzw. 



  Wärmeanforderung an den Heizkreislauf, die einzelnen Funktionen der Anlagenelemente automatisch zu steuern. 



   Die erfindungsgemässe Anlage ergibt auf Grund der Anwendung neuartiger Kombinationen von Kreisprozessen und Wärmeaustauschvorgängen, verbunden mit einem hohen Nutzungsgrad der eingesetzten Energieträger, einen erheblichen technischen Fortschritt. Die Anlage kann für einen Bereich der Heizleistung von 3 bis 200 kW ausgelegt werden. Für die Anwendung in einem Heizungssystem in kleineren Bauwerken,   z. B.   in Ein- oder Mehrfamilienhäusern, wird eine Heizleistungsabgabe von 5 bis 40 kW bevorzugt.

   Durch die beschriebene Bauart von Kältemittelverdampfer, Nacherhitzer für das Heizwasser und die Betriebsmöglichkeit desselben ohne Einschaltung des Kältemittelkreislaufes wird eine optimale und sichere Bereitstellung von Heizwärme gewährleistet und gleichzeitig ein sehr kompaktes Aggregat, das-zusammen montiert-wie ein Heizkessel aufgestellt werden kann, erreicht. 



   Beispiel : Für die Beheizung eines Einfamilienhauses ist eine Wärmepumpenanlage der erfindungsgemässen Art, die bei einer Aussentemperatur   von-10  C   eine Heizleistung von 24 kW abgibt, in der aus der Zeichnung ersichtlichen Weise aufgebaut : In einem als Zwangsdurchlaufkessel ausgebildeten Verdampfer --12-- von 60 cm Durchmesser und 70 cm Länge, ausgerüstet mit Kesselspeise- 

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 pumpe --4-- und Druckregelventil --5--, werden stündlich 220 kg eines Kältemittels auf Basis von   1, 2, 2-Trifluortrichloräthan   (Frigen 113) mittels eines Ölbrenners mit Ein-und Ausregelung erhitzt und als Dampf von   192 C/25   bar in einem Schraubenexpander --1--, der selbstschmierend arbeitet und über ein Regelventil --18- geregelt wird, auf   48 C/1,

   0   bar mit einer Leistungsabgabe von 4 kW abgearbeitet. 



   Der in einen Kondensator -2- des Kältemittelkreislaufes eintretende Kältemitteldampf wird dort mittels   Heizrücklaufwasser-7-,   das eine Temperatur von etwa 30 C aufweist, kondensiert und in einen Behälter --3-- mit Niveauregelung zurückgeführt, wobei etwa 9, 5 kW an das Heizwasser abgegeben werden. Das Kältemittel wird von dem   Behälter --3-- im   Kreislauf, über die Pumpe-4-und das   Ventil-5-,   dem Verdampfer-12-wieder zugeführt, wo es flüssig, z. B. mit 400C/26 bar, eintritt. 



   Das im Kondensator-2-, z. B. auf   41 C,   erwärmte   Heizrücklaufwasser --7- wird   dem Konden-   sator-11-einer   konventionell arbeitenden Kompressorwärmepumpe --8 bis 11--, deren Kompressor-8-mit dem   Schraubenexpander-l-direkt   gekoppelt ist und mit 3000 Umdr/min arbeitet, zu- 
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 den kann, gelangt das umlaufende Wärmeübertragungsmedium nach dem Austritt aus dem Kondensator-11-über eine Drossel-10-in den   Wärmepumpenverdampfer-9-,   worin das Medium, 
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   Das aus dem Kondensator-11-kommende, auf   56 C   vorgewärmte Heizwasser wird nun einem nachgeschalteten   Heizwassernacherhitzer-13-zugeführt,   wo es weitere 2, 5 kW an Nutzwärme aufnimmt und dann mit einer Vorlauftemperatur von   600C   als Heizwasservorlauf --20-- das Heizsystem des Hauses versorgt. 



   Der   Nacherhitzer-13-für   das Heizwasser ist ebenso wie der Dampferzeuger für das Kältemittel in eine   Kesselanordnung --14- eingebaut,   die somit sowohl den Kältemittelkreislauf als auch den Heizwasserkreislauf umfasst. Der Kesselanordnung wird mittels eines mit Brennstoffen oder Gas gespeisten Brenners bzw. mittels einer   Halbgas- oder   Wirbelschichtfeuerung die erforderliche Wärmeenergie zugeführt und über das Rauchgas an die beiden vorerwähnten Kreislaufsysteme abgegeben. In die Kesselanordnung-14-ist vorteilhaft eine Regelklappe-15-eingebaut, die zur Regelung der Heizwassertemperatur bestimmt ist. Die Regelklappe wird dabei in Abhängigkeit von der Heizwasser-Austrittstemperatur gesteuert. 



   Im Rahmen der Erfindung kann auch vorgesehen werden, den Heizwassernacherhitzer --13-allein zu betreiben, was beispielsweise in einem auf den Kältemittelkreislauf beschränkten Störungsfall ein fortgesetztes Inganghalten der Heizung ermöglicht. Dieser Betrieb des nachgeschalteten Heizwassernacherhitzers als alleiniges Heizaggregat lässt sich durch eine entsprechende Ausbildung der Regelklappe als Rauchgasumlenkungsvorrichtung herbeiführen. Anderseits kann die Rauchgasumlenkungsvorrichtung auch derart ausgeführt sein, dass die Heizfläche des Heizwassernacher-   hitzers-13-umgangen   wird, was für den Fall von Bedeutung ist, dass mit einer niedrigeren Vorlauftemperatur des Heizwassers das Auslangen gefunden werden kann. 
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 durch ein Vereisen des Luft/Wärme-Austausches des Luft/Wärme-Austauschers des Wärmepumpenverdampfers verhindert wird.

   Eine zusätzlich vorgesehene Umgehungsleitung-16-mit Schaltven- 
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Claims (1)

1. -7- zum Kondensator --2-- des Schraubenexpanders --1--.PATENTANSPRÜCHE : 1. Anlage zur Durchführung eines Wärmepumpenprozesses für Heizzwecke, insbesondere für das Heizen oder Kühlen von Gebäude-Innenräumen, umfassend einen Expander, der durch den unter erhöhtem Druck und erhöhte Temperatur gebrachten Dampf eines Kältemittels betrieben wird, und einen direkt damit gekoppelten Wärmepumpenkompressor, gekennzeichnet durch einen mittels eines flüssigen, gasförmigen oder festen Energieträgers oder mittels Wärmeenergie aus radioaktiven Zerfallsprozessen beheizten Kältemittelverdampfer (12) zum Verdampfen des in einem geschlossenen Kreislauf geführten Kältemittels, durch einen geräusch-und vibrationsarmen Schraubenexpander (1), der als Antrieb für eine Kompressorwärmepumpe (8,9, 10,11) dient,

   durch einen mittels Heizrücklaufwasser (7) beaufschlagten Kondensator (2) für die Kondensation des aus dem Schrau- EMI4.1 flüssige Kältemittel samt Rücklaufleitung zum Verdampfer (12) und Kesselspeisepumpe (4).

   2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der als Zwangsdurchlaufkessel ausgebildete Kältemittelverdampfer (12) mit einem dahinter geschalteten und mit den Rauchgasen bzw. dem Wärmeträgermedium im Falle von radioaktiven Zerfallsprozessen beaufschlagten Nacherhitzer (13) für die Nacherhitzung des Heizwassers kombiniert ist und eine Einheit (14) bildet. EMI4.2 lauf zur Abgabe eines Teils des Wärmeinhalts des Heizrücklaufwassers (7) für die Erwärmung des dem Wärmepumpenkreislauf zugeführten Nutzwärmeträgermediums, wie z. B. Luft, verbunden ist.

   4. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung einer umfassenden Wärmenutzung alle Teile der Anlage, einschliesslich der Wärmepumpe (8 bis 11), auf einem gemeinsamen Träger montiert und wärme- und schallisoliert gekapselt ausgeführt sind.