Nach dem Kompressionssystem arbeitende WÏrmepumpanlage.
Die Erfindung betrifft eine nach dem Eompressionssystem arbeitende Wärmepump- anlage und besteht darin, daB die abzuführende Wärme an mindestens zwei voneinander getrennte Heizmittelsysteme abgegeben wird, wobei ein Heizmittelsystem ohne erh¯hte Lei stungsaufnahme derWärmepumpe auf höhere Temperatur als das andere Heizmittelsystem gebracht wird. Das auf h¯here Endtempera- tur gebraohte Heizmittelsystem kann minde- stens teilweise die Überhitzungswärme des Verdichters aufnehmen.
Zur Erh¯hung der Wirtschaftlichkeit der Gesamtwärmepump- anlage kann die'Entspannung des verfliissig- ten WÏrmepumpmediums in Stufen erfolgen, deren Drücke zweckmässigerweise mit den Saugdriieken der Verdichterstufen bereinstimmen, bei gleichzeitiger Abgabe der bei der Entspannung gebildeten Dämpfe an die unter dem gleichen Saugdruck arbeitenden Verdichterstufen. Dabei erfolgt mindestens eine Entspannung des verflüssigten'Wärme- pumpinediums in einen Zwischendruck-ReceivÚr des Verdichters, um eine wirksame Nachk hlung der von der Vorstufe ankommenden überhitzten Mediumdämpfe zu erreichen.
Bei Wärmeverbrauchsanlagen, wie z. B.
Luftheizungs-, Strahlungsheizungs-, Zentralheizungsanlagen, ist es oftmals erwünscht, f r Sonderzweeke, wie Eeizwasserversorgung etc. über ein Heizmittel zu verfügen, dessen Temperatur hoher liegt als f r die Raumheizung allgemein erforderlich ist. Dies lϯt sich bei Wärmepumpanlagen gemäB der Er findung mit Vorteil dadurch erreichen, daB die mit relativ hohen Temperaturen bei der Verdichtung anfallende Uberhitzungswärme in einem gesonderten Heizmittelsystem abgeführt wird, das dadurch die erforderlich hohe Endtemperatur erhält. Der Vorteil dieser Arbeitsweise besteht darin, dass die erh¯hte Temperatur des f r eine HeiBwasserversorgung etc. verwendeten Fluidums ohne erhöhte Leistungsaufnahme, d. h. also sehr wirtschaftlich gewonnen wird.
Zwei Aus±ührungsbeispiele des Erfin dungsgegenstandes sind auf der Zeichnung schematisch dargestellt.
Fig. 1 und 3 zeigen zwei Beispiele von Wärmepumpanlagen. Fig. 2 ist das Mollierdiagramm zur Anlage nach Fig. 1 und Fig. 4 dasjenige zur Anlage nach Fig. 3.
In Fig. 1 bedeuten : 1 der Verdichter, der in diesem Beispiel als zweistufiger Kolbenverdichter dargestellt ist ; 2 der Zwischen- druck-Receiver zwischen erster und zweiter Verdichterstufe ; 3 der Gasvorkühler ; 4 der Kondensator ; 5 der Nachk hler ; 6 das Entspannungsorgan und 7 der Verdampfer der Wärmepumpanlage. DasWärmepumpmedium, z. B.
Ammoniak oder ein anderes Mittel, durchströmt diese Apparate vom Druckstutzen des Verdichters 1 in gasförmigem, stark überhitztem Zustande durch die Leitung 11 zum Vorkühler 3, wo ihm mindestens ein Teil seiner Uberhitzungswärme entzogen wird, dann durch die Leitung 12 zum Kon- densator 4, wo durch weiteren WÏrmeentzug das Medium restlos verflüssigt wird. In rein flüssigem Zustande gelangt es nun durch die Leitung 13 zum Nachkühler 5, wo eine Unterkühlung dieser Flüssigkeit stattfindet und von hier durch die Leitung 14 zum Entspannungsorgan 6, in welchem die noch unter dem Verdichterenddruck stehende unterkühlte Flüssigkeit auf den Verdampferdruck expandiert wird.
Die Zuführung des so entspann- ten Mediums zum Verdampfer 7 erfolgt durch die Leitung 15. Durch Wärmeaufnahme aus der Umgebung, z. B. aus dem Wasser eines FluBbettes 7', in welchem der Verdampfer 7 eingetaucht ist, erfolgt nun die Verdampfung dieses Mediums. Die Dämpfe treten in die Leitung 16 aus und gelangen in den Nachkühler 5, wo im Gegenstrom zur Flüssigkeit ein Wärmeaustausch mit dieser stattfindet.
Die aus dem Verdampfer kommenden Dämpfe werden darin weiter erwärmt und überhitzt.
Sie werden nun durch Leitung 17 vom Verdichter 1 angesaugt, in der ersten Verdichterstufe auf einem Zwischendruck verdichtet, im Zwischendruck-Receiver 2 wieder abgekühlt, um dann von der zweiten Verdiohterstufe übernommen und auf den Enddruck kompri- miert zu werden.
Der bei diesem Mediumumlauf vollführte thermische KreisprozeB geht aus demMollier Diagramm (psi Diagramm) Fig. 2 hervor.
Vom Verdichtersaugstutzen ausgehend erfolgt in der ersten Verdichterstufe eine annähernd adiabatisehe Verdichtung der an gesaugten überhitzten Mediumdämpfe vom Verdampferdruck pl auf den Zwischendruek p, gemäss der Linie a-b. Mit hoher Temperatur treten diese Gase in den Receiver 2, wo sie wenigstens einen Teil ihrer Uberhitzungs- wärme abgeben, gemäss der Linie b-c. Nun folgt in der zweiten Verdiehterstufe die wiederum annähernd adiabatische Weiterverdichtung vom Zwischendruck p2 bis zum Ver flüssigungsdruck p3 gemäB Linienzug c-d.
Im Zustande d verlassen die Gase den Verdichter und treten in praktisch gleichem Zu stande in den Gasvorkühler 3 ein, wo nun wiederum ein Teil der Uberhitzungswärme abgeführt wird, bis zum Zustand Punkt e.
Von hier aus erfolgt der Ubertritt in den Kondensator 4, in welehem zuerst der Rest der ¯berhitzungswÏrme abgeführt wird und durch weiteren Wärmeentzug eine vollstan- dige Verflüssigung stattfindet, so dass am Ende des Kondensators reine Mediumflüssig- keit vom Zustande f austritt. Diese wird nun im Naehkühler 5 noch weiter unterkühlt bis Punkt g. In diesem Zustand gelangt sie vor das Drosselorgan 6, um hier eine Entspannung vom Verflüssigungsdruck p3 auf den Verdampferdruck pi zu erfahren (Linienzug g-h).
Durch WÏrmeaufnahme im Verdampfer 7 verdampft diese Flüssigkeit bis zur obern Grenzkurve, d. h. bis zum trocken- gesättigten Zustand (Punkt i), um nachher im Vorkühler 5 durch Wärmeaufnahme eine Uberhitzung zu erhalten, die dem Ausgangspunkte a wieder entspricht.
In diesem Kreisprozess wird nutzbare Wärme unter relativ hoher Temperatur abgegeben : im Receiver 2 (Linie b-c), im Gasvorkühler 3 (Linie d-e) und im Kon- densator 4 (Linie e-f). Dagegen wird WÏrme aufgenommen unter relativ tiefen Temperaturen : im Verdampfer 7 (Linie h-i). Ein interner Wärmeaustausch findet statt im Nachkühler 5 zwischen der sich ab kühlendenFlüssigkeit(Linie/-)und'den sich überhitzenden Dämpfen (Linie i-a).
Der Hauptanteil der von der Wärme- pumpanlage hoohgepumpten Wärme fällt im Kondensator 4 (Liniee-f) an. Sie wird an den Hauptheizmittelkreislauf abgegeben, der diese seinerseits den Wärmeverbrauchsappa- raten, z. B. Radiatoren der Zentralheizungs- anlage, der Strahlungsheizung oder Luftheizung zuführt. Dieser Hauptheizmittel- kreislauf ist in Fig. 1 dargestellt durch den Wärmeverbrauchsapparat 8, die Heizmittelumwälzpumpe 9 und die im Kondensator 4 eingebaute Heizspirale 4'. Das Heizmittel strömt durch die Vorlaufleitung 18, vom Kondensator 4 bezw. dessen Heizspirale 4' zum Wärmeverbrauchsapparat 8 und über die Pumpe 9 durch die R cklaufleitung 19 zum Kondensator 4 zurück. Das Wärmemittel kann auch umgekehrt durch die Leitungen zirkulieren.
Wie aus dem Mollier-Diagramm Fig. 2 hervorgeht, steht die im Receiver 2 und im Gasvorkühler 3 anfallende Wärme unter höherer Temperatur zur Verfügung als im Kondensator 4. Diese Wärme ist daher geeignet, an ein weiteres Heizmittelsystem überzugehen, der h¯here Temperaturen als der Hauptheizmittelkreislauf besitzt. Es lassen siah damit Sonderaufgaben erfüllen, die mit den im Hauptkreislauf herrschenden Heizmitteltemperaturen nicht bewältigt werden konnten.
Dieses zweite Heizmittelsystem mit der höheren Temperatur ist in Fig. 1 durch die Leitungen 22, Receiver-Rohrspirale 2', Leitung 23, Gasvork hler-Rohrspirale 3', Leitung 21, Warmeverbrauchsapparat 10 und eine Umwälzpumpe 20 dargestellt. Das Heizmittel dieses Systems beschreibt also auch einen Kreislauf. In diesem Beispiel sind die wärmeabgebenden Apparate (Receiver 2 und Gasvorkühler 3) in bezug auf den Heizmitteldurchfluss in Serie zueinander geschaltet. Sie können aber auch parallel vom Heizmittelstrom durchflossen sein. Jedem wärmeab- gebenden Apparat kann gegebenenfalls sogar je ein eigenes Heizmittelsystem zugeordnet sein. Der Durchfluss dea Wärmemittels kann natürlich auch umgekehrt sein.
Das Heizmittel des mit hoher Temperatur arbeitenden Systems kann beispielsweise auch dem Hauptkreislauf entnommen und nach Erfüllung seiner Aufgabe diesem wieder zurückgeführt werden. Im Falle der Hei¯ Wasserversorgung wird es vorteilhafterweise direkt einem Gebrauchswassernetz entnom- men und als HeiBwasser dem Verbraucher zugeführt, so dass die Umwälzpumpe 20 eventuell wegzulassen ist. Der Leistungs anteil-des Heizmittelsystems mit hoher Temperatur kann je nach Temperaturüberhohung gegenüber dem Hauptheizmittelkreislauf zirka 5 bis 25 ? der Gesamtheizleistung der Wärmepumpanlage betragen.
Fig.-3 zeigt eine Ausführung mit stufenweiser Entspannung des verflüssigten Wärmepumpmediums und Absaugen der bei dieser Entspannung gebildeten DÏmpfe durch die unter demselben Saugdruck arbeitenden Ver dichterstufen, wobei die betreffenden Apparate und Leitungen gleich wie in Fig. 1 bezeichnet sind. Das Beispiel ist mit zweistufigem Kolbenverdichter dargestellt mit einer Zwischenentspännüng auf den Verdich terzwischendruck.
Der Kreislauf des Wärmepumpmediums vollizieht sich wie folgt : Ausgehend vom Druckstutzen des Verdichters 1 gelangt das Medium durch die Leitung 11 in stark über hitztem Zustande unter dem End-bezw. Ver flüssigungsdruek pg (Zustandspunkt e'in Mollier-Diagrainm Fig. 4) zum Gaskühler 3, wo ihm ein Teil der Uberhitzungswärme genommen wird. Es gelangt unter Zustand f' durch'die Leitung 12 zum Kondensator 4, wo durch weiteren WÏrmeentzug der Rest der Uberhitzungswärme abgeführt und anschliessend die gesamte Gasmenge restlos ver flüssigt wird (f'-g').
Die reine Flüssigkeit vom Zustand g' gelangt durch die Leitung 13 vor das Reg lierorgan 6, wo eine erste Ent spannung( < --') auf den Zwischendruck desHauptverdichtersl,'d.h.aufDruckpz erfolgt. Die entspannte und einen'durch die Expansion bedingten Gasanteil enthaltende Flüssigkeit (Zustand h') gelangt durch die Leitung 25 und die Verteildüse 26 in den Zwischendruck-Receiver 24, wo in erster Linie eine Trennung zwischen der reinen Flüssigkeit und dem Gas stattfindet.
Die Flüssigkeit sammelt sich am Boden des Re ceivers 24, wahrend die abgeschiedenen. Gase vermengt mit den von der ersten Verdichterstufe durch die Leitung 27 ebenfalls dem Receiver 24 zugef hrten Verdichtergasen durch die Leitung 28 in die zweite Verdichterstufe übertreten.
Die reine Flüssigkeit vom m Zustande i' verläBt den Receiver 24 durch die Leitung 29 und gelangt in das Drosselorgan 30, wo eine weitere Entspannung vom Drucke p2 auf pi erfolgt. Die entspannte Flüssigkeit wird mit dem Zustande k'durch die Ileitung 15 in den Verdampfer 7 geleitet.
Im Verdampfer 7 erfolgt durch Wärme- einfall aus dem umgebenden Wasser eine restlose Verdampfung der eingespritzten Warme- pumpmediumflüssigkeit. Die Dämpfe unter dem Zustande a' gelangen vom Verdampfer 7 über die Leitung 33 zum Verdichter 1, wo in der ersten Stufe die Verdichtung vom Drucke p, auf P2 erfolgt, gemäB Linienzug a'-b'. Die überhitzten Gase in der ersten Stufe gelangen über die Leitung 27 zum Zwischendruck-Receiver 24, wo sie zunächst eine Rohrspirale 2'überstreichen und dabei eine Abkühlung auf den Zustand c'erfahren.
In der nachfolgenden Mischung dieser Gase mit der in den Zwischendruck-Receiver durch die Düse 26 eingespritzten Mediumflüssigkeit erfolgt eine weitere Abkühlung dieser Gase vom Zustand c'auf d'. Dabei wird ein gewisser Anteil der eingespritzten Flüssigkeitsmenge verdampft. Die Gase verlassen im Zustande d'den Receiver und gelangen durch die Leitung 28 8 in die zweite Stufe des Ver dichters 1, wo sie vom Zustande d'auf den Enddruck (e') verdichtet werden.
Der Eauptheizmittelkreislauf ist in diesem Beispiel gleich vorgesehen wie in Fig. 1. Dagegen stellt dieses Beispiel in bezug auf das zweite Eeizmittelsystem mit der h¯heren Temperatur den Fall einer Warmwasserverbrauchsanlage dar. Das Wasser wird einem vorha. ndenen Gebrauchswassernetz entnom- men und durch die Leitung 22 der Rohrspirale 2'im Zwischendruck-Receiver 24 zugeführt, wo dem Wasser die im Wärmepump- medium enthaltene Warme (b'-c') abgegeben wird. Das Gebrauchswasser kann dann durch die Leitung 23 noch dem Vor- kühler 3 zugeführt werden, wo eine weitere Warmeaufnahme (e'-f') vor sich geht.
Das auf Endtemperatur erwärmte Gebrauchswasser wird durch eine Leitung 21 einer nicht gezeichneten Verbrauchsstelle zuge- f hrt. Selbstverständlich können die beiden Wärmeabgeber (2'und 3) in bezug auf den Gebrauchswasserdurchfluss auch parallel geschaltet sein. Jedem wärmeabgebenden Apparat kann gegebenenfalls auch ein eigenes Heizmittelsystem zugeordnet sein.
Aus dem Mollier-Diagramm Fig. 4 geht klar der Vorteil der Stufenentspannung und Zwischenabsaugung der gebildeten Dämpfe hervor, indem der bei Zustandspunkt h'bereits gebildete Dampf lediglich vom Zwischendruck pS auf den Druck P8 gepumpt werden mu¯, während ohne diese Zwischen- absaugung die Forderung dieses gleichen Dampfanteils vom Verdampferdruck P1 auf den Endidruck ps erfolgen müsste.
Statt den in den aufgezeichneten Ausfüh rungsbeispielen dargestellten zweistufigen Kolbenkompressoren können natürlich auch mehrstufige Verdichter in einem oder mehreren Zylindern, aber auch Turboverdichter oder Drehkolbenverdichter zur Installation gelangen.
Zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit der Gesamtwärmepumpanlage kann die Entspannung des verflüssigten, gegebenenfalls noch unterkühlten Wärmepumpmediums in ver schiedenen Stufen erfolgen, deren Enddrücke mit den Saugdrüoken der Verdichterstufen übereinstimmen. Die erste Flüssigkeitsentspannung erfolgt somit beispielsweise auf den Ansaugdruck der letzten, die zweite Entspannung auf den Saugdruck der vorletzten Ver dichterstufe usw. Die bei der Entspannung dieser Flüssigkeit entstehenden Dämpfe werden abgeschieden und der unter gleichem Saugdruck arbeitenden Verdichterstufe zugeführt bezw. von dieser abgesogen.
Mit Vor- teil erfolgt die Entspannung direkt in die Zwischendruck-Receiver, durch welche auch die Sauggase der unter gleichem Drucke ansaugenden Verdichterstufe geleitet werden.
Es kann damit gleichzeitig eine wirksame Naohkühlung der von der Vorstufe herkom- menden überhitzten Sauggase erreicht werden. Der Vorteil dieser stufenweisen Entspannung mit Absaugen der gebildeten Dämpfe besteht darin, dass die bei der Stufenentspannung des verfltissigten Wärmepump- mediums entstandenen Dämpfe nur vom je weiligen Entspannungsdruck auf den Verflüssigungsdruck verdichtet werden müssen, während ohne diese Stufenexpansion und Zwischenabsaugung der DÏmpfe diese vom Verdampfendruck aus auf den End-bezw.
Verflüssigungsdruck gepumpt werden müss- ten. Es wird somit an mechanischer Pump- arbeit gespart.