Verfahren und Einrichtung zur Regelung von Gas- oder Lnftwärmepumpen-Anlagen, die nach dem Prinzip Kompression-Wärmeabgabe-Expansion-Wärmeaufnahme arbeiten. Wärmepumpenanlagen, die Wärme von einer tieferen auf eine höhere Temperatur "pumpen", können nach verschiedenen Grund sätzen gebaut werden.
So kennt man folgende Hauptarten: a) Kompressions-Dampfwärmepumpenan- lagen, b) Gas- oder Luftwärmepumpenanlagen, c) Absorptions-Wärmepumpenanlagen. Alle drei Arten werden hauptsächlich zur Kälteerzeugung benützt; denn eine Kälte- maschine ist bekanntlich auch eine Wärme pumpe, die Wärme aus einem kalt zu halten den Raum auf eine höhere Temperaturlage fördert.
Da vorliegende Erfindung sich nur mit der Gas- oder Luftwärmepumpe befasst., soll deren Arbeitsweise einleitend an Hand der Fig. 1 der Zeichnung kurz in Erinnerung gebracht werden.
Im Gegensatz zur Dampfwärmepumpe wird hier Gas oder Luft im Kreislauf so ge führt, dass im Entropiediagramm (TS) längs a-b eine Expansion erfolgt zwischen den Drücken p2 und p1; die dabei eintretende Temperaturabsenkung befähigt das Gas zur Wärmeaufnahme Qo längs b-c;
anschliessend erfolgt nun eine Verdichtung längs c-d und Wärmeabgabe (Q, -I- <I>A</I> # <I>L)</I> längs d-a. Die hochgepumpte Wärme Q" liegt unter b-c, während die an die höhere Temperaturlage abgegebene Wärme (Q, + <I>A - L)</I> unter a--d liegt. Der Unterschied beider Flächen<I>(A - L)</I> ist die aufgewendete Arbeit als Unterschied der Kompressions- und Expansionsarbeit.
Je nachdem nun Kühlung, d. h. Wärmeentzug Q" aus einem Raum, oder Heizung, d. h. Wärmezufuhr (Q, --[- <I>A - L)</I> in einen Raum angestrebt wird, spricht man von Kälte- maschine- oder Wärmepumpe.
Bei sogenannten Klimaanlagen können durch geeignete Umschaltungen beide Wir kungsweisen zur Anwendung kommen. So wohl bei Klimaanlagen, als auch bei andern Anwendungen der Wärmepumpe können starke Änderungen des Kälte- oder Wärme bedarfs auftreten, d. h. es kann weitgehendste Regelung erwünscht sein.
Es ist also ein grosses Bedürfnis vorhanden. die von der Wärmepumpe umgewälzten Luftmengen in weiten Grenzen zu ändern, was bei Kolben maschinen nur durch weitgehende Drehzahl änderung möglich ist, während bei Turbo maschinen zufolge ihrer verhältnismässig flachen Druckvolumencharakteristik ohne oder mit wenig Drehzahländerung eine grosse Anpassung erreicht wird. Trotzdem also die Turbomaschine in dieser Beziehung elasti scher ist, sind gerade dem Turboverdichter Grenzen gesetzt, indem er unterhalb eines be stimmten, des sogenannten kritischen Volu mens, unstabil ist, er "pumpt".
In Fig. 2 ge schieht dies beispielsweise im Punkt h'1 der Drehzahlkurve ial bezw. K_ der Drehzahl kurve n2, wobei als Abszisse das Fördervolu- men 1' und als Ordinate der Druck P aufge tragen ist. Diese Störung in der Förderung hat natürlich auch einen sprunghaften Wir kungsgradabfall zur Folge.
Vorliegende Erfindung betrifft. nun ein Regelverfahren für Gas- oder Luftwärme pumpenanlagen, mit dem Teillasten praktisch ohne Wirkungsgradeinbussen gefahren wer den können. Es besteht darin, dass die Ände rung des Wärmeumsatzes bezw. des Tempera turgefälles durch Änderung des Kreisprozes ses herbeigeführt wird. Ein Mittel ist bei spielsweise, bei geschlossenen Anlagen die Drucklage des Systems veränderlich zu machen.
Dies kann zum Beispiel durch künst liche Aufladung bezw. Entladung mittels Luftpumpe geschehen, welche bei veränder licher Förderung einen veränderlichen Druck im System aufrecht zu erhalten vermag, in dem sie Luftverluste durch Stopfbüchsen zu ersetzen bezw. wegzufördern hat, je nachdem das System im Vakuum oder im Überdruck arbeitet. Eine solche beispielsweise Anlage ist in Fig. 3 schematisch dargestellt, in wel cher bedeuten: 1 Expansionsmaschine, 2 ZVärmeaufnehmer, 3 Kompressionsmaschine. 4 Wä.rmeabgeber, 5 Antriebsmotor, 6 Lade pumpe, z.
B. eine Zellenmaschine, wie ge- zeichnet, 7 und 8 :Anschlussstellen der Lade pumpe an Saug- und Druckleitung des Ver dichters. 9, 10, Il, 12 Abschlussorgane in Saug- und Druckleitung der Ladepumpe, 1 und II wärmeführende Aussennetze mit un terer und oberer Temperaturlage.
Die Arbeitsweise der Gas-Wärmepumpe ist eingangs in Erinnerung gebracht worden. Für den meist vorkommenden Fall mit Luft als Wärmemittel wird sich ohne besondere Massnahmen die Drucklage im Betrieb so ein stellen, dass der Expansionsdruck unter und der Kompressionsdruck über Atmosphäre liegen.
Diese Drücke stellen sich in Abhängig keit von den Stopfbüehsenleckstellen ein; bei ,grosser saugseitiger Leckstelle wird sich dieser Druck vom Vakuum her näher gegen die Atmosphäre stellen und der Enddruck um so höher über Atmosphäre liegen, wäh rend bei grosser druckseitiger Leckstelle der Kompressorenddruck wenig über Atmosphäre liegt: mit entsprechend tieferem Vakuum.
Man kann nun durch künstliche Leckstel- len bei 11 und 12, die mit der Atmosphäre in Verbindung stehen, auch ohne Ladepumpe die Drucklage innerhalb gewisser Grenzen verändern. Bei zum Beispiel offenen Hähnen 9 und 11 und geschlossenen Hähnen 10 und 1.2 wird sich saugseitig eine Atmosphäre ein stellen, während bei zum Beispiel einem Druckverhältnis des Verdichters 3 von 3,0 der Enddruck 3,0 ata. betragen wird. Bei offenen Hähnen 10 und 12 und geschlossenen Hähnen 9 und 11 hingegen wird der Enddruck 1..0 ata und der Saugdruck 0,33 ata betragen.
Zwischendrücke innerhalb dieser Werte kön nen natürlich beliebig eingestellt werden durch mehr oder weniger Offnen der Hähne 9-12. Im letzteren Falle läuft natürlich elwas Blindluft durch den Verdichter, die aber um so kleiner ist, je kleiner ungewollte Nebenleckstellen durch Stopfbüchsen ete. sind.
Diese mögliche Pendelung der Drucklage um die Atmosphäre herum kann durch An- -,vendung einer Ladepumpe 6 beliebig über die benannten Grenzen hinausgetrieben werden. Diese Pumpe saugt zweckmässig bei 8 ab und drückt durch 11 in die Atmosphäre, wenn die Wärmepumpe im Vakuum, oder saugt aus der Atmosphäre bei 12 und drückt nach 7. wenn dieselbe über atmosphärischem Druck arbeitet.
Diese natürliche oder künstliche Ände rung der Drucklage hat nun zur Folge, dass sich bei gleichbleibendem Fördervolumen das Umwä.lzgewicht entsprechend dem Druck ändert, und dann auch der Wärmeumsatz in den Wärmeaustauschern 2 und 4, indem sich dieser bei gleicher Geschwindigkeit ange nähert proportional dem Gasgewicht ändert, bei gleichbleibender Temperaturlage. Es ist dies somit ein Mittel, die Wärmebelastung der Wärmepumpe innerhalb sehr weiter Grenzen bei gleichbleibendem Fördervolumen zu än dern, was bei Anwendung von Turboverdich tern mit Rücksicht auf das kritische Volu men sehr erwünscht ist, aber auch bei Kolben maschinen eine erwünschte Elastizität ermög licht.
Fig. 4 zeigt die durch die Aufladung be dingten Zustandsänderungen im Entropiedia- gramm T-8. welche sich ohne besondere Ladepumpe in den beiden äussersten Lagen einstellen können, je nachdem durch die Leck stellen 7 und 8 der Fig. 3 der Saugdruck oder der Enddruck des Verdichters auf Atmo sphäre gehalten wird.
Das schraffierte Bild links stellt den Kreisprozess bei offenen Häh nen 9 und 11 mit Saugdruck 1,0 ata und End- druck p2 dar, während das schraffierte Bild rechts den Prozess bei offenen Hähnen 10 und 12 veranschaulicht, mit Verdichtungsend- druck 1,0 ata und Saugdruck p". Da ein solches System bei verschiedenen Drucklagen ein gleichbleibendes Volumen umwälzt, ist das umgewälzte Gewicht proportional der Drucklage, was die erwünschte Veränderung des Wärmeumsatzes zur Folge hat.
Mit Hilfe dieser Einrichtung kann man eine Wärme pumpe sehr einfach und bei praktisch gleich bleibendem Wirkungsgrad in der Leistung regeln. Besonders die Turbomaschine wird infolge sehr geringer mechanischer Verluste den Wirkungsgrad bis auf kleinste Belastung beibehalten, indem bei gleicher Drehzahl und gleichem Volumen die Strömungsverhältnisse praktisch unverändert bleiben. Wenn mit einer solchen Massnahme noch die Umschal tung auf Heizung oder Kühlung verbunden wird, so kann zum Beispiel eine so auf geladene Wärmepumpe als Klimaanlage die Wärmebedürfnisse während eines ganzen Jahres lückenlos und mit gleichbleibendem Wirkungsgrad befriedigen.
In Fig. 5 ist dies derart gezeigt, dass auf der Abszisse die Heizwärme (Q" + <B><I>A</I></B><I> - L)</I> positiv und die Kühlwärme Q, negativ eingetragen ist, wäh rend das von der Wärmepumpe erzeugte dt beim Heizen mit + und beim Kühlen mit als Ordinate auftritt.
Im Heizbetrieb rechts kann zum Beispiel durch Absenkung des Druckes die Heizleistung bis auf nahezu 0 des Punktes P gebracht werden, welcher Punkt dem Übergang von der Winterperiode auf die Frühlingsperiode entspricht.. Im Sommer lässt sich durch Umschaltung die Wärme pumpe auf Kühlung umstellen, indem zum Beispiel Wärmeaufnehmer und Wärme abgeber ihren Netzanschluss vertauschen.
In der Übergangszeit wird man wieder mit ge ringem Ladedruck, also wenig Kühlleistung, a -i nfangen und diese mit zunehmender Wärme durch Erhöhung des Druckes steigern.
Das vorstehend beschriebene Mittel er laubt also, bei zum Beispiel gleicher Drehzahl und gleichbleibendem Druckverhältnis und demnach gleichen Temperaturen den Wärme umsatz zu ändern. Es ist nun aber besonders bei Wärmepumpen wichtig, dass man bei ge ringem Wärme- bezw. Kältebedarf auch klei ner werdendem Temperaturgefälle, und zwar möglichst verlustlos, nachfahren kann, in dem sieh bei der Wärmepumpe die aufgenom mene Leistung proportional dem Temperatur gefälle ändert. Eine solche verlustlose Ände rung des Temperaturgefälles bedingt die Änderung des Druckverhältnisses p" <I>:</I> p1 des Kreislaufes.
Diese gewünschte Änderung des Druckverhältnisses in solchen Fällen wo keine Drehzahlregelung in Frage kommt, wird durch Änderung des Füllungsgrades der Expansionsmaschine erreicht, was bei Kol benmaschinen einer Veränderung der Einlass- organe oder bei Turbomaschinen der Verände rung des Düsenquerschnittes der Expansions turbine entspricht.
Beide Mittel zusammen, nämlich die ver änderliche Aufladung und der veränderliche Füllungsgrad der Expansionsmaschine, er möglichen praktisch eine verlustlose Rege lung der Wärmepumpe, und zwar sowohl be züglich des Wärmeumsatzes als auch bezüg lich des erzeugten Temperaturgefälles.