Anlage, welche Wärme von einer tieferen Temperatur auf höhere Temperatur bringt. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage, welche Wärme von einer tieferen Tem peratur auf eine höhere Temperatur bringt. Bekannte derartige Anlagen sind mit mehre ren Kompressoren oder mit einem mehrstufi gen Kompressor ausgerüstet, um einen guten Wirkungsgrad zu erreichen.
Fig. 1 der beiliegenden Zeichnung zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer derartigen bekannten Anlage mit einem Hoch druekkompressor H, einem Niederdruckkom- pressor <I>L,</I> einem Wärmeaustauscher <I>HF,</I> der als V erdanrpfer des Hochdrucksystems wirkt, und einem Verdampfer LP des Nied'erdruck- systems, Die beiden Drucksysteme sind in Kaskade angeordnet.
Der als Verdampfer des Hochdrucksystems dienendeWärmeaustauscher ist gleichzeitig Kondensator des Die Anlage gemäss der vorliegenden U,rfin- dung zeichnet sich durch einen einstufigen Kompressor aus, der abwechselnd während aufeinanderfolgender Perioden auf ver>sehie- den hohen Drücken arbeitet, einen Konden sator und eine Wärmeaustauschvorrichtung,
die während der Hochdruckperiode als Ver dampfer und während der Niederdruckperiode als Kondensator wirkt und einem während der Niederdruekperiode arbeitenden Verdampfer vorgesehaltet ist. Durch die Verwendung eines einstufigen Kompressors wird eine wesentliche Ilerabsetzung der Herstellungskosten der An lage im Vergleich mit den Herstellungskosten einer Anlage mit zwei getrennten Kompresso ren oder einem Zweistufenkompressor erzielt.
Die Zeichnung stellt Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dar. Es zeigt: Fig. 2 ein Schema der Anlage in Anwen dung als Kühlanlage, Fig. 3 ein PS-Diagramm einer Anlage ge mäss Fig. 2, Fig. 4 schematisch eine vollautomatische Kühlanlage und Fig. 5 schematisch eine Wärmepumpen- anla.ge.
Entsprechende Teile sind in den verschie denen Ausführungsbeispielen mit den gleichen Überweisungen versehen.
Die Anlage nach Fig. 2 besitzt einen ein stufigen Kompressor 1. Eine Umlaufleitung 2 führt vom Kompressor zum Kondensator 3, von diesem über ein Expansionsventil 4 zu einer im Wärmeaustauscher A angeordneten Rohrschlange :5 und anschliessend, über ein Ab- stel.l.ventil 6 zurück zum Kompressor 1.
In eine um das Ventil 4 führende Umgehungsleitung ist ein Abstellventil 7 eingebaut, und in eine um das Ventil 6 führende Umgehungsleitung ist ein Verdampfer 8 eingeschaltet-, der zwischen einem an seinem Einlass angeordneten Expan sionsventil 9 und einem an seinem Auslass an geordneten Abstellventil 10 vorgesehen ist. Der Wärmeaustauscher t1 ist wärmeisoliert., und der Verdampfer 8 ist in einem wärmeisolierten Behälter R angeordnet.
Die gezeichnete Anlage arbeitet. abwech selnd bald auf höherem, bald auf niedrigerem Druck. Die beiden Perioden werden im folgen den als Hochdruck- bzw. als Niederdruck periode bezeichnet. Während der Hochdruck periode sind die Abstellventile 7 und 10 ge schlossen und das Abstellventil 6 ist offen. ber Kompressor fördert. heisses Gas in den Kondensator 3, wo, es kondensiert. Die ent standene Flüssigkeit strömt durch das Expan sionsventil 4 und verdampft. in der Rohr schlange 5. Das verdampfte Kühlmittel wird über das Ventil 6 dem Kompressor wieder zugeführt.
Nachdem das die Rohrschlange um gehende Medium im Wärmeaustauscher A auf eine Temperatur abgekühlt ist, die um einen gewissen Betrag tiefer ist als die Kondensa tionstemperatur des Kühlmittels während der Niederdruckperiode, kann die Niederdruck periode beginnen.
Die Umstellung auf die Niederdruck periode erfolgt durch Öffnen der Ventile 7 und 10 und durch Schliessen des Ventils 6. Der Kompressor 1 fördert. das verdampfte Kühlmittel durch das Ventil 7 zur Rohr schlange 5, die nun als Kondensator wirkt. Das Kondensat strömt durch das Expansions ventil 9 in den im isolierten Behälter B ange ordneten Verdampfer B. In diesem verdampft das Kühlmittel bei niedrigerer Temperatur als vorher in der Rohrschlange 5 und kehrt. über das Ventil 10 in den Kompressor zurück. So bald das die Rohrschlange 5 umgehende Medium eine vorbestimmte Wärmemenge auf genommen hat, wird auf die Hochdruckperiode umgestellt, der nach entsprechender Kühlung des genannten Mediums wieder eine Nieder druckperiode folgt usw.
Es ist ersichtlich, dass Wärme von einer tieferen Temperatur aus dem Behälter B auf höhere Temperatur in den Behälter A und anschliessend zum Kon densator 3 transportiert wird, wo die Wärme z. B. an Luft oder Kühlwasser abgegeben wird.
Für die Hochdruckperiode oder die Nie derdruckperiode allein hängt die Kühlleistung des Kompressors von den Verdampfungs- und den Kondensationstemperaturen ab, indem sie mit steigender Verdampfungstemperatur zu nimmt und mit steigender Kondensationstem peratur abnimmt. Wenn man nun z. B. die Dauer der Hochdruckperiode im Verhältnis zur Dauer der Niederdruckperiode vergrössert, sinkt. die Temperatur im Behälter A, bis das Gleichgewicht zwischen den Kühlleistungen der beiden Perioden wieder hergestellt ist.
Wenn die Dauer der Hochdruckperiode gegen über der Niederdruekperiode herabgesetzt wird, steigt die Temperatur im Behälter .l.
Es ist daraus ersichtlich, dass das Verhält nis zwischen der Dauer der Perioden bei einer gegebenen Kondensationstemperatur im Kon-, densator 3 und einer gegebenen Verdamp- fungstemperatur im Verdampfer 8 wenigstens annähernd durch die im Behälter A herr schende mittlere Temperatur bestimmt. wird. Die wirkliche Dauer der Periode hängt. ab von der Wärmekapazität der Medien in den isolier ten Behältern A und B und von der zulässi gen Änderung der Temperatur in denselben.
Um mit kleinen Temperaturänderungen arbei ten zu können, können die Rohrschlange 5 und der Verdampfer 8 in eutektische Solen einge taucht sein, wobei die Sole beim Behälter B durch die Leitung 11 zu- und durch die Lei tung 12 weggeführt wird.
Fig. 3 zeigt an Hand eines TS-Diagrammes die Zustandsänderungen jeweils in einem be stimmten Moment der beiden Arbeitsperioden bei einer Anlage gemäss Fig. \'.
Bei der automatischen Kühla.nlaoe nach Fig. 4 ist zwecks Herabsetzung der Wärme verluste durch die Isolation der Wärmeaus tauscher A konzentrisch um den Behälter B angeordnet.
Im Wärmeaustauscher A ist ein Thermo stat 13 vorgesehen. Wenn die Anlage in der Niederdruckperiode (vgl. N in Fig. 3) arbei tet, strömt das Kühlmittel gemäss den ausge zogenen Pfeilen vom Kompressor über die Kondensatorschlange 3, das Ventil 7, die als Kondensator arbeitende Rohrschlange 5, das Expansionsventil 9 und den Verdampfer 8 zum Kompressor zurück. Dabei steigt die Temperatur im Behälter A und sinkt im Be hälter B.
Sobald im Behälter A die Tempera- tur die obere Grenze, für die der Thermostat 13 eingestellt ist, erreicht., betätigt dieser mit tels Magnete das Ventil 7 und das Wechsel ventil 6, wodurch die Anlage auf die Hoch druckperiode (vgl. II in Fig. 3) umgestellt wird, während welcher das Kühlmittel in Rich tung der in Fig. 1 gestrichelt gezeichneten Pfeile strömt..
Während der Hochdruckperiode sinkt die Temperatur im nun als Verdampfer arbeitenden Wärmeaustauscher @I, und zwar so lange, bis diese Temperatur die untere, durch den Thermostaten 13 bestimmte Grenze er reicht, welch letzterer dann die Anlage wieder auf die Niederdruckperiode umstellt.. Ferner ist dem Behälter 13 ein vom Thermostaten 13 uilallliäilgiger Thermostat 14 zugeordnet, der das '-,olenoi-dveiltil 10 steuert..
Wenn das Ventil 7 geschlossen ist, ist das Wceliselventil 6 in einer solchen Lage, dass die Rohrschlange 5 über das Ventil 6 direkt finit dem Kompressor verbunden ist, während die Strömung durch den Verdampfer 8 beim Ventil 6 unterbroellen ist. In dieser Lage der Ventile 6 und 7 ist, es ohne Belang, ob das Ventil 10 offen oder geschlossen ist.
Wenn das Ventil 7 dagegen offen ist, befindet sieh das Wechselventil 6 in einer solchen Lage, dass die direkte Verbindung der Rohrschlange 5 über das Ventil. 6 mit. dem Kompressor durch das Ventil 6 unterbrochen ist, während die Verbindung vom Ventil 10 über das Ventil 6 zlini Kompressor offen ist.. Mit den Ventilen 7 und 6 in dieser Lage ist das durch den Ther- niostaten 1-1 gesteuerte Ventil 10 von Bedeutung für den Antrieb.
Falls im Behälter B eine höhere Temperatur herrscht, als gewünscht ist, wird das Ventil 10 durch den Thermostaten 11 offen gehalten., so dass der Kompressor in der Niederdruekperiode arbeiten und die Tem peratur im Behälter 13 senken kann. Wenn die Temperatur die untere Grenze, für die der Thermostat 14 eingestellt ist, erreicht hat, wird dasVentiZl10 unter dem.Einfluss des Ther mostaten geschlossen.
Da der Druck dann auf der Saugseite des Kompressors, die mit einem Druckrelais 15 in Verbindung steht., sofort sinkt, bringt. das Druckrelais 15 den Kompres sor auf nicht gezeiehilete Weise zum Still- stand. Wenn die Temperatur im Behälter B so zunimmt, dass der Thermostat 14 das Ventil 10 wieder öffnet, nimmt auch der Druck am Druckrelais 15 zu, und der Kompressor wird wieder in Betrieb gesetzt.
Wenn während einer Niederdruckperiode die Temperatur im Be hälter !1 so zunimmt, dass der Thermostat 13 die Ventile 6 und 7 umschaltet, fängt unmit telbar eine neue Hochdruckperiode an, die erst unterbrochen wird, wenn die Temperatur im Behälter t1 auf den durch den Thermostaten 13 bestimmten, tiefsten Wert gesunken ist. Wenn nach Herabsetzung der Temperatur im Behälter r1 der Thermostat 13 die Umschal tung auf eine neue Niederdruckperiode be wirkt., bleibt, der Kompressor in Betrieb, wenn das Ventil 10 offen ist, andernfalls hält der Kompressor an.
Der Kompressor wird so lange im Stillstand bleiben, bis einer der Thermo staten anspricht.
Der Thermostat 1.4 und das Ventil 10 sind nur dann notwendig, wenn im Behälter B ge naue Temperaturgrenzen verlangt sind. An dernfalls kann das Druckrelais 15 die Tempe ratur des Behälters B steuern, indem das Re lais 15 den Betrieb des Kompressors und damit die Temperatur des Behälters B über wacht. Das Dreckrelais 15 sorgt dafür, dass die Verdampfungstemperatur (und somit der Druck) im Verdampfer 8 nicht unter den ge wünschten Wert sinkt, indem es den Kom pressor abstellt, wenn der Druck ein bestimm tes Minimum erreicht. Wenn der Verdamp- fungsdruek ein bestimmtes Maximum erreicht, lässt das Druckrelais den Kompressor an laufen.
Zum Antrieb des Kompressors 1 ist ein Motor 16 angeordnet, dem ein Widerstand 17 vorgeschaltet ist. Ferner ist in die Leitung 2 nach dem Kompressor ein ölabseheider 18 ein gebaut.
An Stelle von Thermostaten zur Umschal tung der Anlage könnte auch eine Schaltuhr vorgesehen sein, die das Umschalten von einer Druckperiode auf .die andere in gewissen vor bestimmten Intervallen besorgt, oder es könn ten auch die Dampfdrücke zur Bestimmung der Arbeitsperioden herangezogen werden, in- dem mit Hilfe von Druckrelais und -Magnet ventilen die Umschaltung erfolgen könnte.
Bei einer Kühlmaschine wird durch den Verdampfer bei niederer Temperatur Wärme aufgenommen und durch den Kompressor auf ein höheres Temperaturniveau gebracht, wor auf die Wärme zusammen mit der durch die Kompression erzeugten Wärme =m Kondensator nach aussen abgeführt wird. Wenn an Stelle der Kühlwirkung die Wärmewirkung im Konden sator ausgenützt wird, arbeitet die Anlage als Wärmepumpe. Zwischen diesen Anlagen be steht kein prinzipieller Untersehied, was die Arbeitsweise betrifft. Ein Beispiel einer Wä.rme pumpenanlage ist in Fig. 5 schematisch dar gestellt.
Die Anlage ist in ähnlicher Weise aus gebildet wie jene gemäss Fig. 2.
Die Anlage gemäss Fig. 5 besitzt einen Kompressor 1. Von diesem Kompressor führt eine Leitung 2 durch den Kondensator 3 und über ein Expansionsventil 4, eine Rohrschlange 5 und ein Abstellventil 6 zurück zum Kom pressor 1. Ein Verdampfer 8 ist in eine um das Ventil 6 führende Umgehungsleitung ein gebaut, die ein Expansionsventil 9 vor dem Verdampfer und ein Abstellventil 10 nach dem Verdampfer 8 aufweist. Ferner führt eine Leitung 20 mit einem Ventil 7 vom Kom pressor direkt zur Rohrschlange 5, die in einem isolierten Behälter A angeordnet ist. Der Verdampfer 8 ist in eine Wärmequelle, z. B. See- oder Flusswasser, getaucht, dessen Temperatur z.
B. annähernd gleich 0 C sei. Während der Niederdruckperiode wird im Verdampfer 8 aus der Wärmequelle Wärme aufgenommen. Der Kompressor fördert den komprimierten Dampf durch die Leitung 20 in die dann als Kondensator wirkende Rohr schlange 5, wie dies durch die ausgezogenen Pfeile in Fig. 5 dargestellt ist. Hat das die Rohrschlange 5 umgebende Medium im Wärme- austauscher A eine bestimmte Temperatur er reicht, so wird die Anlage auf die Hochdruck periode umgeschaltet.
Während der Hoch- druekperiode erfolgt. die Strömung in der durch die gestrichelten Pfeile angezeigten Richtung vom Kompressor zum Kondensator 3, wo Wärme z. B. zu Heizzwecken wegge führt wind, und dann durch das Expansions ventil 4 und die nun als Verdampfer wirkende Rohrsehlange 5 direkt. zum Kompressor zu rück.
System that brings heat from a lower temperature to a higher temperature. The present invention relates to a system which brings heat from a lower temperature to a higher temperature. Known systems of this type are equipped with several compressors or a multi-stage compressor in order to achieve good efficiency.
1 of the accompanying drawings shows schematically an embodiment of such a known system with a high pressure compressor H, a low pressure compressor <I> L, </I> a heat exchanger <I> HF, </I> as the collector of the high pressure system acts, and an evaporator LP of the low pressure system, the two pressure systems are arranged in cascade.
The heat exchanger serving as the evaporator of the high pressure system is at the same time the condenser of the The system according to the present invention is characterized by a single-stage compressor that works alternately during successive periods at differently high pressures, a condenser and a heat exchange device,
which acts as a condenser during the high pressure period as a Ver and during the low pressure period and is provided in front of an evaporator operating during the low pressure period. By using a single-stage compressor, a substantial reduction in the manufacturing costs of the system is achieved in comparison with the manufacturing costs of a system with two separate compressors or a two-stage compressor.
The drawing shows exemplary embodiments of the subject matter of the invention. It shows: FIG. 2 a diagram of the system in application as a cooling system, FIG. 3 a PS diagram of a system according to FIG. 2, FIG. 4 a schematic diagram of a fully automatic cooling system and FIG schematically a heat pump system.
Corresponding parts are provided with the same transfers in the various exemplary embodiments.
The system according to FIG. 2 has a one-stage compressor 1. A circulation line 2 leads from the compressor to the condenser 3, from there via an expansion valve 4 to a pipe coil arranged in the heat exchanger A: 5 and then via a stop valve 6 back to compressor 1.
A shut-off valve 7 is installed in a bypass line leading around valve 4, and an evaporator 8 is switched on in a bypass line leading around valve 6, which is provided between an expansion valve 9 arranged at its inlet and a shut-off valve 10 arranged at its outlet is. The heat exchanger t1 is thermally insulated., And the evaporator 8 is arranged in a thermally insulated container R.
The system shown works. alternately sometimes at higher, sometimes at lower pressure. The two periods are referred to below as the high pressure and low pressure periods. During the high pressure period, the shutoff valves 7 and 10 are closed and the shutoff valve 6 is open. promotes via compressor. hot gas in the condenser 3, where, it condenses. The resulting liquid flows through the expansion valve 4 and evaporates. snake in the pipe 5. The evaporated coolant is fed back to the compressor via valve 6.
After the medium around the coil in the heat exchanger A has cooled to a temperature which is lower by a certain amount than the condensation temperature of the coolant during the low pressure period, the low pressure period can begin.
The changeover to the low pressure period is carried out by opening valves 7 and 10 and closing valve 6. The compressor 1 promotes. the evaporated coolant through the valve 7 to the pipe coil 5, which now acts as a condenser. The condensate flows through the expansion valve 9 in the insulated container B is arranged evaporator B. In this, the coolant evaporates at a lower temperature than before in the coil 5 and returns. back into the compressor via valve 10. As soon as the medium bypassing the pipe coil 5 has absorbed a predetermined amount of heat, the high pressure period is switched to, which is followed by a low pressure period after appropriate cooling of the medium mentioned, etc.
It can be seen that heat is transported from a lower temperature from the container B to a higher temperature in the container A and then to the Kon capacitor 3, where the heat z. B. is released into air or cooling water.
For the high pressure period or the low pressure period alone, the cooling capacity of the compressor depends on the evaporation and condensation temperatures, as it increases with increasing evaporation temperature and decreases with increasing condensation temperature. If you now z. B. increases the duration of the high pressure period in relation to the duration of the low pressure period, decreases. the temperature in container A until the equilibrium between the cooling capacities of the two periods is restored.
If the duration of the high pressure period is reduced compared to the low pressure period, the temperature in the container rises.
It can be seen from this that the ratio between the duration of the periods at a given condensation temperature in the condenser 3 and a given evaporation temperature in the evaporator 8 is determined at least approximately by the mean temperature prevailing in the container A. becomes. The real length of the period depends. from the heat capacity of the media in the insulated containers A and B and from the permissible change in temperature in the same.
In order to be able to work with small temperature changes, the coil 5 and the evaporator 8 can be immersed in eutectic brines, the brine at container B through line 11 and carried away through line 12.
Fig. 3 shows on the basis of a TS diagram, the changes in state in each case be certain moment of the two working periods in a system according to Fig. \ '.
In the automatic Kühla.nlaoe according to Fig. 4 is arranged concentrically around the container B to reduce heat losses through the insulation of the Wärmeaus exchanger A.
In the heat exchanger A, a thermostat 13 is provided. If the system in the low pressure period (see. N in Fig. 3) arbei tet, the coolant flows according to the drawn arrows from the compressor via the condenser coil 3, the valve 7, the condenser coil 5, the expansion valve 9 and the evaporator 8 back to the compressor. The temperature in container A increases and decreases in container B.
As soon as the temperature in container A reaches the upper limit for which the thermostat 13 is set, it actuates the valve 7 and the changeover valve 6 by means of magnets, whereby the system switches to the high pressure period (see II in Fig . 3) is switched, during which the coolant flows in the direction of the arrows shown in dashed lines in Fig. 1 ..
During the high pressure period, the temperature in the heat exchanger @I, which is now working as an evaporator, falls until this temperature reaches the lower limit determined by the thermostat 13, which then switches the system back to the low pressure period Container 13 is assigned a thermostat 14 which is uilallliäilgiger from the thermostat 13 and controls the '-, olenoi-dveilil 10 ..
When the valve 7 is closed, the Wcelisel valve 6 is in such a position that the pipe coil 5 is connected directly finitely to the compressor via the valve 6, while the flow through the evaporator 8 at the valve 6 is interrupted. In this position of the valves 6 and 7, it is irrelevant whether the valve 10 is open or closed.
If the valve 7 is open, however, see the shuttle valve 6 in such a position that the direct connection of the pipe coil 5 via the valve. 6 with. the compressor is interrupted by valve 6, while the connection from valve 10 via valve 6 to the compressor is open. With valves 7 and 6 in this position, valve 10 controlled by thermostat 1-1 is important for the drive.
If the temperature in the container B is higher than desired, the valve 10 is kept open by the thermostat 11, so that the compressor can work in the low pressure period and the temperature in the container 13 can lower. When the temperature has reached the lower limit for which the thermostat 14 is set, the VentiZl10 is closed under the influence of the thermostat.
Since the pressure on the suction side of the compressor, which is connected to a pressure relay 15, then drops immediately, brings. the pressure relay 15 brings the compressor to a standstill in a manner not shown. If the temperature in the container B increases so that the thermostat 14 opens the valve 10 again, the pressure on the pressure relay 15 also increases, and the compressor is started again.
If the temperature in the container 1 increases during a low-pressure period so that the thermostat 13 switches over valves 6 and 7, a new high-pressure period begins immediately, which is only interrupted when the temperature in the container t1 drops to the value indicated by the thermostat 13 certain, lowest value has decreased. If, after lowering the temperature in the container r1, the thermostat 13, the switching device to a new low pressure period acts., The compressor remains in operation when the valve 10 is open, otherwise the compressor stops.
The compressor will remain idle until one of the thermostats responds.
The thermostat 1.4 and the valve 10 are only necessary if exact temperature limits are required in the container B. At otherwise the pressure relay 15 can control the temperature of the container B by the relay 15 monitoring the operation of the compressor and thus the temperature of the container B over. The dirt relay 15 ensures that the evaporation temperature (and thus the pressure) in the evaporator 8 does not fall below the desired value by turning off the compressor when the pressure reaches a certain minimum. When the evaporation pressure reaches a certain maximum, the pressure relay starts the compressor.
To drive the compressor 1, a motor 16 is arranged, which is preceded by a resistor 17. Furthermore, an oil separator 18 is built into the line 2 after the compressor.
Instead of thermostats for switching over the system, a time switch could also be provided to switch from one pressure period to the other at certain predetermined intervals, or the steam pressures could also be used to determine the working periods with the help of pressure relays and solenoid valves the switchover could take place.
In a refrigeration machine, heat is absorbed by the evaporator at a low temperature and brought to a higher temperature level by the compressor, whereupon the heat is discharged to the outside together with the heat generated by the compression = m condenser. If the heating effect in the condenser is used instead of the cooling effect, the system works as a heat pump. There is no fundamental difference between these systems in terms of the way they work. An example of a Wä.rme pump system is shown schematically in Fig. 5.
The system is formed in a similar way to that according to FIG. 2.
The system according to FIG. 5 has a compressor 1. From this compressor a line 2 leads through the condenser 3 and via an expansion valve 4, a pipe coil 5 and a shut-off valve 6 back to the compressor 1. An evaporator 8 is in one around the valve 6 leading bypass line is built, which has an expansion valve 9 upstream of the evaporator and a shut-off valve 10 downstream of the evaporator 8. Furthermore, a line 20 with a valve 7 leads from the compressor directly to the coil 5, which is arranged in an insulated container A. The evaporator 8 is in a heat source, for. B. lake or river water, submerged, the temperature of which z.
B. is approximately equal to 0 C. During the low-pressure period, heat is absorbed from the heat source in the evaporator 8. The compressor conveys the compressed steam through the line 20 into the coil 5, which then acts as a condenser, as shown by the solid arrows in FIG. If the medium surrounding the coil 5 in the heat exchanger A has reached a certain temperature, the system is switched to the high pressure period.
Takes place during the period of high pressure. the flow in the direction indicated by the dashed arrows from the compressor to the condenser 3, where heat e.g. B. for heating purposes wegge leads wind, and then through the expansion valve 4 and now acting as an evaporator Rohrsehlange 5 directly. back to the compressor.