WärmepumpenanIage. Die Erfindung betrifft eine Wärme pumpenanlage, deren Wärmebedarf aus See-, Fluss- oder Grundwasser entnommen wird, das heisst einem Gewässer, dessen Temperatur bis nahe an den Gefrierpunkt sinken kann.
Bei Röhrenverdampfern. für Wärmepum- penanlagen dieser Art kann sich an den Ver- dampferrohren bekanntlich Eis ansetzen, so bald die Temperatur des wärmespendenden Wassers bei gegebener Verdampferbelastung unter einen bestimmten Wert sinkt. Das hängt damit zusammen, dass dem Wasser, selbst wenn es eine Temperatur von z. B. nur noch 1 C hat, vom Wärmeträger, falls er im Innern des Verdampfers eine Tempera tur von weniger als 0 C aufweist, nach wie vor Wärme entzogen wird.
Wenn daher am Röhrenverdampfer nicht bestimmte Vorkeh rungen getroffen werden, so besteht die Ge fahr, dass bei tiefen Wassertemperaturen der Eisansatz an den Verdampferrohren immer dicker und infolgedessen der Wärmeaustausch zwischen dem wärmespendenden Wasser und dem den Röhrenverdampfer durchlaufenden Wärmeträger durch Eisansätze mit der Zeit ganz unterbunden wird. Der Betrieb muss dann unterbrochen werden, damit das Eis auf irgendeine Art von den Verdampfe.rroh- ren entfernt werden kann.
Ein solcher Be- triebsunterbruch wird aber als besonders gro sser Nachteil empfunden, da er sich gerade bei atmosphärischen Temperaturverhältnissen einstellen wird, die erst recht ein starkes Heizen von Räumen erfordern. Um das an den Rohren von Röhren verdampfern angesetzte Eis zu entfernen, ist schon vorgeschlagen worden, bei starker Eis bildung den Verdichter von Wärmepumpen anlagen, die nach Art der Kompressions- Kältemaschinen arbeiten, abzustellen und das Eis durch wärmespendendes Wasser, das nach wie vor durch den Röhrenverdampfer fliesst,
abtauen zu lassen. Zu diesem Zwecke wurden wenigstens zwischen den einzelnen Reihen der Verdampferrohre so grosse Ab stände vorgesehen, dass selbst bei starker Eis bildung die bei abgestellter Wärmepumpe für das Abtauen benötigte Wassermenge noch zwischen den Verdampferrohren durch fliessen kann.
Zweck der Erfindung ist nun, eine Wärmepumpenanlage zu schaffen, die auch bei Temperaturen des wärmespendenden Wassers, die nahe am Gefrierpunkt liegen, einen durchgehenden Betrieb der Anlage er möglicht.
Die Erfindung beruht auf folgenden Erkenntnissen: Der Eisansatz an den Ver- dampferrohren einer Wärmepumpenanlage ist eine Funktion der Temperatur des wärme spendenden Wassers, der Geschwindigkeit, mit der dasselbe den Verdampfer durch strömt, und der Verdampfungstemperatur des Wärmeträgers der Wärmepumpe in den Ver- dampferrohren. Die Bildung einer Eisschicht an den Verdampferrohren hat zur Folge, dass die Verdampfungstemperatur sinkt,
weil dann die nun vorhandene Eisschicht die Wärmeübertragung vom wärmespenden den Wasser zu dem im Verdampfer Wärme aufnehmenden Wärmeträger erschwert. Bei einer Verdampfungstemperatur des Wärme trägers, die unter 0 C liegt, wächst nun die Eisschicht, die sich an der Aussenseite der Verdampferrohre gebildet hat, bis sich an der Oberfläche der Eisschicht eine Tempe ratur von 0 C einstellt, in welchem Falle dann jede weitere Eisbildung an der betref fenden Oberfläche selbstverständlich auf hört, der Eisansatz also nicht mehr zu nimmt.
-Die radiale Stärke der Eisschicht, die sich an den Verdampferrohren ansetzt, ist bei gegebener Verdampfergrösse und ge gebenem Wärmeträger abhängig von der Temperatur des wärmespendenden Wassers, dem Wärmeübergang von letzterem an die Oberfläche der gebildeten Eisschicht, also von der Strömungsgeschwindigkeit des wärmespendenden Wassers, und ferner von der Verdichterleistung.
Um diesen Erkenntnissen, die für die einzelnen Verdampferrohre gültig sind, in bezug auf die Gesamtheit der Rohre des Röhrenverdampfers einer Wärmepumpen anlage derart Rechnung zu tragen, dass sich bei gegebenen Zwischenräumen zwischen den Verdampferrohren, gegebener Verdich- terleistung,
gegebenem Wärmeträger und bei der bekannten tiefsten Temperatur des wärmespendenden Wassers der Eisbildungs- vorgang im Rohrverband bei gegenseitiger Beeinflussung benachbarter Rohre in glei cher Weise wie am Einzelrohr abspielen kann, ist gemäss der Erfindung die kleinste Entfernung zwischen den benachbarten Verdampferrohren grösser als die doppelte Stärke der Eisschichten, die sich an diesen Rohren bis zu dem Zeitpunkt angesetzt haben,
wo der Eisansatz nicht mehr zu nimmt. Zudem ist die Geschwindigkeit, mit welcher das wärmespendende Wasser nach jenem Zeitpunkte durch den Verdampfer strömt, noch so gross, dass das Zufrieren der Zwischenräume zwischen den Verdamp- ferrohren.verhindext ist. Bei einer Temperatur des wärmespen denden Wassers am Austritt aus dem Ver dampfer von z.
B. 0,5 C sinkt die Wärme leistung der Wärmepumpenanlage, von wel cher der Verdampfer einen Bestandteil bil det, bei gegebener Verdichterleistung und gegebener Verdampfergrösse in dem Falle, wo sich an der Aussenfläche der Eisschich ten, die sich an den einzelnen Verdampfer rohren gebildet haben, die Temperatur von 0 C einstellt, nur um etwa 25 % in bezug auf die Leistung, die sich erzeugen lässt, wenn sich noch kein Eis an den Verdampfer rohren angesetzt hat.
Mit Rücksicht darauf und vor allem auch dann, wenn die Anlage für normale Wassertemperaturen etwas reichlich bemessen wird, lässt sich infolge dessen eine Wärmepumpenanlage nach der Erfindung auch bei einem Eisansatz an den Verdampferrohren doch durchgehend im Be trieb halten.
Auf der beiliegenden Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsform des Erfin- dungsgegenstandes in vereinfachter Darstel- lungsweise veranschaulicht, und zwar zeigt:
Fig. 1 einen Schnitt nach der Linie 1-I der Fig. 2 durch das Mauerwerk, in wel chem der von Flusswasser durchströmte Röhrenverdampfer einer im übrigen nicht gezeigten Wärmepumpenanlage unterge bracht ist, Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 1, und Fig. 3 zeigt in grösserem Massstab einen waagrechten Schnitt durch einen Teil des Verdampfers.
1 und 2 bezeichnen zwei in einem Mauer werk 3 untergebrachte Teile eines Röhren verdampfers einer = Wärmepumpenanlage. Diese Teile 1, 2 sind in bezug auf den um laufenden Wärmeträger der Wärmepumpen anlage in nicht gezeigter Weise in Reihe geschaltet, und sie werden vom Flusswasser durchströmt. Dieses tritt durch einen Rechen 4 in den vom Mauerwerk 3 begrenzten und oben durch abnehmbare Platten 6 abge schlossenen Raum 5 ein und verlässt diesen wieder bei 7, nachdem es jenem Wärmeträ ger die benötigte Verdampfungswärme ge spendet hat.
Jeder der Verdampferteile 1 und 2 weist eine Anzahl von Rohrreihen auf, wobei die Rohre 8 jeder Reihe in bezug auf die Strömungsrichtung des wärmespendenden Wassers hintereinander angeordnet und von diesem in der Hauptsache quer angeströmt werden. Die Rohre 8 jeder Reihe sind unten an ein Verteilrohr 9 und oben an ein Sam- melrohr 10 angeschlossen.
Die verschiedenen Verteilrohre 9 jedes Verdampferteils 1 bezw. 2 sind an eine Eintrittskammer 11 und die verschiedenen Sammelrohre 10 an eine Aus trittskammer 12 angeschlossen. 13 bezeich net eine Propellerpumpe, mit deren Hilfe sich die Geschwindigkeit des durch die Ver- da.mpferteile 1 und 2 strömenden, wärme spendenden Wassers beeinflussen lässt.
In Fig. 3 bezeichnet 14 Eisschichten, die sich an den Verdampferrohren 8 bis zu dem Zeitpunkt gebildet haben, wo sich bei der vorkommenden tiefsten Temperatur des wärmespendenden Wassers und bei der ge gebenen Verdichterleistung für gegebene Verdampfungs- und Verflüssigungstempera turen und bei dem gegebenen Wärmeträger an der Aussenfläche der betreffenden Eis schichten die Temperatur von 0 C einstellt.
Die Entfernung zwischen den einzelnen Roh ren der Verdampferteile 1 und 2 ist nun so gross gewählt, dass die kleinste Entfernung zwischen den Rohren 8 an jeder Stelle min destens etwas gxösser ist als die doppelte Stärke s der Eisschichten, die sich an den Rohren 8 angesetzt haben, bis sich an der Aussenfläche dieser Eisschichten die Tem peratur von 0 C einstellt, also der Eisansatz nicht mehr zunimmt.
Die kleinsten Entfer nungen, die aber an jeder Stelle des Ver dampfers immer noch mindestens den soeben genannten Betrag aufweisen, sind zwischen den Rohren 8 derselben Reihe vorgesehen. Die Entfernung zwischen denjenigen Rohren 8 jedes Verdampfers, die den Durchfluss b für das wärmespendende Wasser zu dem Zeitpunkte festlegen, wo der Eisansatz an diesen Rohren nicht mehr zunimmt, und die Geschwindigkeit, mit welcher das.
Wasser nach jenem Zeitpunkte durch den Verdamp fer strömt, sind noch so gross, dass das Zu frieren der Zwischenräume zwischen den Ver- dampferrohren verhindert ist. Bei einer sol chen Wärmepumpenanlage kann sich der Eisbildungsvorgang im Rohrverband des Verdampfers bei gegenseitiger Beeinflussung benachbarter Rohrreihen in gleicher 'Weise wie am Einzelrohr abspielen, und ferner ver bleibt beim Sicheinstellen der Temperatur von 0 C an der Aussenfläche der Eisschich ten, die sich an den Rohren 8 gebildet haben sollten,
zwischen solchen Eisschichten noch so viel Raum. für das Durchlassen des wärme spendenden Wassers übrig, dass letzteres das weitere Anwachsen der Eisschichten und da mit auch deren Zusammenwachsen verhin dern kann. Zweckmässig werden die Rohre 8 der verschiedenen Reihen in der aus Fig. 3 ersichtlichen Weise in bezug aufeinander versetzt angeordnet, was dazu beiträgt, die Strömung turbulenter zu gestalten. Um bei sich bildenden Eisschichten die durch den Verdampfer fliessende Wassermenge zu be einflussen, kann die Drehzahl der Propeller pumpe 13 entsprechend eingestellt werden. Diese Einstellung kann z.
B. in Abhängig keit von der Verdampfertemperatur erfolgen.
Um sich ein Bild über die Stärke des Eisansatzes an den Verdampf errohren im Be- harrungszustand machen zu können, seien folgende Angaben gemacht:
Angenommen, es werde als Wärmeträger NH3 ver wendet und die Verdichterleistung be trage bei -10 C Verdampfungstempera- tur und -I- 45 C Verflüssigungstemperatur 200 000 kcal/h. Die Verdampferoberfläche sei 150 m2, wobei der mittlere Durchmesser der Verdampferrohre 40 mm beträgt.
Ferner betrage die bekannte tiefste Temperatur, des wärmespendenden Wassers -I-1 C und die Geschwindigkeit, mit der es zwischen den Verdampferrohren hindurchströmt, sei 0,5 m/s. Für diese Verhältnisse ergeben die Berechnungen für die Stärke des Eisansat zes, der sieh an den Verdampferrohren bis zu dem Zeitpunkte angesetzt hat, wo dieser Ansatz nicht mehr zunimmt, 0,5 cm.
Heat pump system. The invention relates to a heat pump system whose heat requirement is taken from lake, river or groundwater, that is, a body of water whose temperature can drop to almost freezing point.
With tube evaporators. For heat pump systems of this type, it is known that ice can build up on the evaporator tubes as soon as the temperature of the heat-giving water falls below a certain value for a given evaporator load. This is due to the fact that the water, even if it has a temperature of e.g. B. only has 1 C, from the heat transfer medium, if it has a tempera ture of less than 0 C inside the evaporator, heat is still withdrawn.
Therefore, if certain precautions are not taken on the tube evaporator, there is a risk that the ice build-up on the evaporator tubes becomes thicker and thicker at low water temperatures and, as a result, the heat exchange between the heat-giving water and the heat transfer medium flowing through the tube evaporator is completely prevented by ice build-up over time . Operation must then be interrupted so that the ice can be removed from the evaporation tubes in some way.
Such an interruption in operation is perceived as a particularly great disadvantage, however, since it will occur precisely under atmospheric temperature conditions that require a lot of room heating. In order to remove the ice attached to the tubes of tubes evaporators, it has already been proposed to turn off the compressor of heat pumps that work on the type of compression refrigeration machines and the ice through heat-giving water, which is still through the tube evaporator flows,
to defrost. For this purpose, at least between the individual rows of the evaporator tubes, such large distances were provided that even with heavy ice formation, the amount of water required for defrosting when the heat pump is switched off can still flow between the evaporator tubes.
The purpose of the invention is now to create a heat pump system that enables continuous operation of the system even at temperatures of the heat-giving water that are close to freezing.
The invention is based on the following findings: The ice build-up on the evaporator tubes of a heat pump system is a function of the temperature of the heat-giving water, the speed at which it flows through the evaporator, and the evaporation temperature of the heat pump's heat carrier in the evaporator tubes. The formation of a layer of ice on the evaporator tubes causes the evaporation temperature to drop,
because then the layer of ice that is now present makes the heat transfer from the heat-giving water to the heat transfer medium in the evaporator more difficult. At an evaporation temperature of the heat carrier that is below 0 C, the layer of ice that has formed on the outside of the evaporator tubes grows until a temperature of 0 C is set on the surface of the ice layer, in which case any further ice formation Of course, it stops at the surface in question, so the ice deposit no longer increases.
-The radial thickness of the ice layer that attaches to the evaporator tubes is dependent on the temperature of the heat-giving water, the heat transfer from the latter to the surface of the ice layer formed, i.e. on the flow speed of the heat-giving water, for a given evaporator size and given heat carrier also on the compressor performance.
In order to take these findings, which are valid for the individual evaporator tubes, into account with regard to the entirety of the tubes of the tube evaporator of a heat pump system in such a way that given the gaps between the evaporator tubes, the given compressor output,
given heat transfer medium and at the known lowest temperature of the heat-giving water the ice formation process in the pipe association with mutual influence of adjacent pipes in the same way as on the individual pipe, according to the invention the smallest distance between the adjacent evaporator pipes is greater than twice the thickness of the ice layers that have settled on these pipes by the time
where the ice build-up no longer increases. In addition, the speed at which the warming water flows through the evaporator after that point in time is still so great that the gaps between the evaporator tubes cannot freeze over. At a temperature of the wärmespen denden water at the outlet from the Ver evaporator of z.
B. 0.5 C, the heat output of the heat pump system, of wel cher the evaporator is a component bil det, for a given compressor capacity and given evaporator size in the case where th on the outer surface of the Eisschich formed on the individual evaporator tubes have, the temperature of 0 C sets, only by about 25% in relation to the power that can be generated when no ice has set on the evaporator tubes.
With this in mind, and especially if the system is dimensioned somewhat abundantly for normal water temperatures, a heat pump system according to the invention can be kept continuously in operation even if there is ice on the evaporator tubes.
An example embodiment of the subject matter of the invention is illustrated in a simplified representation in the accompanying drawing, namely:
Fig. 1 is a section along the line 1-I of Fig. 2 through the masonry, in wel chem the tube evaporator flowed through by river water of a heat pump system, otherwise not shown, Fig. 2 is a section along the line II-II of Fig 1 and 3 shows, on a larger scale, a horizontal section through part of the evaporator.
1 and 2 denote two parts of a tubular evaporator housed in a masonry 3 = a heat pump system. These parts 1, 2 are connected in series in relation to the current heat transfer medium of the heat pump system in a manner not shown, and they are traversed by the river water. This occurs through a rake 4 in the limited by the masonry 3 and above by removable plates 6 abge enclosed space 5 and leaves it again at 7 after it has donated ge that Wärmeträ ger the necessary heat of vaporization.
Each of the evaporator parts 1 and 2 has a number of rows of tubes, the tubes 8 of each row being arranged one behind the other with respect to the direction of flow of the heat-giving water and being flowed over mainly transversely by this. The tubes 8 of each row are connected at the bottom to a distribution tube 9 and at the top to a collecting tube 10.
The various distribution pipes 9 of each evaporator part 1 respectively. 2 are connected to an entry chamber 11 and the various manifolds 10 to an exit chamber 12 from. 13 denotes a propeller pump, with the help of which the speed of the heat-giving water flowing through the damper parts 1 and 2 can be influenced.
In Fig. 3 denotes 14 layers of ice that have formed on the evaporator tubes 8 up to the point in time where the lowest temperature of the heat-giving water and the ge given compressor capacity for given evaporation and liquefaction temperatures and with the given heat transfer medium the temperature of 0 C sets the outer surface of the ice layers in question.
The distance between the individual pipes of the evaporator parts 1 and 2 is now chosen to be so large that the smallest distance between the pipes 8 at each point is at least slightly greater than twice the thickness s of the layers of ice that have attached to the pipes 8 until the temperature of 0 C is set on the outer surface of these layers of ice, i.e. the ice accumulation no longer increases.
The smallest distances, but at each point of the Ver evaporator still have at least the amount just mentioned, are provided between the tubes 8 of the same row. The distance between those tubes 8 of each evaporator which determine the flow rate b for the warming water at the point in time when the ice accumulation on these tubes no longer increases, and the speed at which the.
Water flows through the evaporator after that point in time are still large enough to prevent the spaces between the evaporator tubes from freezing. In such a heat pump system, the ice formation process in the pipe association of the evaporator can take place in the same way as on the individual pipe when neighboring pipe rows influence each other, and furthermore, when the temperature of 0 C is set, the outer surface of the ice layers on the pipes remains 8 should have formed
so much space between such layers of ice. for the heat-giving water to pass through, so that the latter can prevent the further growth of the ice layers and thus also their coalescence. The tubes 8 of the various rows are expediently arranged offset with respect to one another in the manner shown in FIG. 3, which helps to make the flow more turbulent. In order to be able to influence the amount of water flowing through the evaporator when ice layers form, the speed of the propeller pump 13 can be adjusted accordingly. This setting can e.g.
B. be done as a function of the evaporator temperature.
In order to get an idea of the strength of the ice accumulation on the evaporation pipes in the persistence state, the following information is given:
Assuming that NH3 is used as the heat transfer medium and the compressor output is 200,000 kcal / h at -10 C evaporation temperature and -I- 45 C condensing temperature. The evaporator surface is 150 m2, the mean diameter of the evaporator tubes being 40 mm.
Furthermore, the known lowest temperature of the warming water is -I-1 C and the speed at which it flows through the evaporator tubes is 0.5 m / s. For these ratios, the calculations for the strength of the ice build-up, which has started on the evaporator tubes up to the point in time when this build-up no longer increases, is 0.5 cm.