CH695464A5

CH695464A5 - Carnot cycle control system comprises additional inner multi-pass evaporator to take condensed working medium in flow through it, to be used more fully with immediate heat exchange

Info

Publication number: CH695464A5
Application number: CH00997/02A
Authority: CH
Inventors: Felix Kalberer
Original assignee: Felix Kalberer
Priority date: 2002-06-12
Filing date: 2002-06-12
Publication date: 2006-05-31
Also published as: WO2003106900A1; AU2003240336A1

Abstract

The assembly for working in a Carnot cycle has a compressor, a condenser, an expansion valve and an evaporator. An inner additional evaporator takes the condensed working medium from the condenser in a flow through it, and the gas component is superheated by the expansion valve while the condensed medium is cooled. A control unit is linked to at least a pressure and/or temperature sensor. The assembly for working in a Carnot cycle has a compressor (16), a condenser (18), an expansion valve (20c) and an evaporator (12). An inner additional evaporator (14), as a multi-pass evaporator, takes the condensed working medium from the condenser in a flow through it, and the gas component is superheated by the expansion valve while the condensed medium is cooled. The expansion valve is operated by a thermostatic control, regulated by a temperature sensor between the additional evaporator and the compressor, and a pressure line before and/or after the additional evaporator. A control unit (50) is linked to at least a pressure and/or temperature sensor (58,70).

Description

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Beschreibung Technisches Gebiet Description Technical area

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmepumpeneinrichtung mit drei Wärmeaustauschelementen, gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. The present invention relates to a heat pump device with three heat exchange elements, according to the preamble of patent claim 1.

Stand der Technik State of the art

[0002] Bei einer solchen Wärmepumpeneinrichtung weist jeder der drei Wärmeaustauschelementen eine Primärseite und eine Sekundärseite auf, und von diesen drei Wärmeaustauschern wird hier ein erster als Verdampfer, ein zweiter als Verflüssiger und ein dritter als Zusatzverdampfer bezeichnet. Auch ist in der Wärmepumpeneinrichtung ein Arbeitsmittelkreislauf vorgesehen, in dem ein Arbeitsmittel zum Transport von Wärme von der Primärseite des Verdampfers zur Sekundärseite des Verflüssigers geführt wird. In such a heat pump device, each of the three heat exchange elements on a primary side and a secondary side, and of these three heat exchangers is here called a first as an evaporator, a second as a condenser and a third as an additional evaporator. Also, a working fluid circuit is provided in the heat pump device, in which a working fluid for the transport of heat from the primary side of the evaporator to the secondary side of the condenser is performed.

[0003] Beim Betrieb einer solchen Wärmepumpeneinrichtung wird an der Primärseite des Verdampfers Wärme der Raumluft, einem stehenden oder fliessenden Gewässer (inklusive Grundwasser und Becken), dem Erdreich, einem Bauwerk (wie Heizraum oder zu heizender Wohnraum), einem in einem Kreislauf zirkulierenden Fluid (wie Gas, Nassgas oder Flüssigkeit) usw. abgegeben, während an der Sekundärseite des Verflüssigers Wärme der Raumluft, einem stehenden oder fliessenden Gewässer (inklusive Grundwasser und Becken), dem Erdreich, einem Bauwerk (wie Kühlraum, Tiefkühlraum oder zu kühlende Wohnraum), einem in einem Kreislauf zirkulierenden Fluid (wie Gas, Nassgas oder Flüssigkeit) usw. entzogen wird. In the operation of such a heat pump device is on the primary side of the evaporator heat the room air, a standing or flowing waters (including groundwater and basins), the soil, a building (such as boiler room or living space to be heated), circulating in a circulating fluid (such as gas, wet gas or liquid) etc. delivered, while on the secondary side of the condenser heat of indoor air, a standing or flowing water (including groundwater and basins), the soil, a building (such as cold room, freezer or living space to be cooled), a fluid circulating in a circuit (such as gas, wet gas or liquid), etc. is withdrawn.

[0004] Eine gattungsgemässe Wärmepumpeneinrichtung wird beispielsweise in DE-4 213 011 offenbart. Nachteilig ist bei diesem Stand der Technik, dass ein oder mehrere Kurzschluss-Umleitungen (By-Pass) gewissen Teilmengen des Arbeitsmittels gestatten, den Zusatzverdampfer zu umgehen, was zur Folge hat, dass der Wärmetransport von der Primärseite des Verdampfers zur Sekundärseite des Verflüssigers nicht optimal ist. A generic heat pump device is disclosed for example in DE-4 213 011. A disadvantage of this prior art that one or more bypass bypasses (By-pass) allow certain subsets of the working fluid to bypass the auxiliary evaporator, with the result that the heat transfer from the primary side of the evaporator to the secondary side of the condenser is not optimal is.

Darstellung der Erfindung Presentation of the invention

[0005] Demnach ist es Aufgabe der Erfindung, eine Wärmepumpeneinrichtung mit gegenüber dem Stand der Technik verbesserter Wärmenutzung bzw. Energienutzung zwischen der Primärseite des Verdampfers und der Sekundärseite des Verflüssigers vorzuschlagen und zur Verfügung zu stellen. Accordingly, it is an object of the invention to provide a heat pump device with respect to the prior art, improved heat utilization or energy use between the primary side of the evaporator and the secondary side of the condenser and to provide.

[0006] Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Wärmepumpeneinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäss gekennzeichnet durch die im Anspruch 1 definierte Kombination von Massnahmen. Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemässen Wärmepumpeneinrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. To solve this problem, a heat pump device of the type mentioned is according to the invention characterized by the defined in claim 1 combination of measures. Advantageous embodiments of the inventive heat pump device are defined in the dependent claims.

[0007] Bei der erfindungsgemässen Wärmepumpeneinrichtung fliesst durch die Primärseite des Zusatzverdampfers das gesamte Arbeitsmittel, welches die Sekundärseite des Verdampfers durchfliesst, und durch die Sekundärseite des Zusatzverdampfers das gesamte Arbeitsmittel, welches die Primärseite des Verflüssigers durchfliesst. Das flüssige Arbeitsmittel wird dabei kühler gehalten, als dies bisher beim Stand der Technik üblich war, und ermöglicht dennoch eine stabile Verdampfung. In the inventive heat pump device flows through the primary side of the additional evaporator, the entire working fluid, which flows through the secondary side of the evaporator, and through the secondary side of the additional evaporator, the entire working fluid, which flows through the primary side of the condenser. The liquid working fluid is kept cooler than was previously customary in the prior art, and still allows stable evaporation.

[0008] Ein mit der erfindungsgemässen Wärmepumpeneinrichtung erreichter wesentlicher Vorteil ist die verbesserte Nutzbarmachung von Energie, die dem flüssigen Arbeitsmittel vor dessen Expansion entnommen wird und gut 15 bis 25% der Verflüssigerleistung ausmachen kann. A significant advantage achieved with the heat pump device according to the invention is the improved utilization of energy which is taken from the liquid working medium before its expansion and can make up well 15 to 25% of the liquefying performance.

[0009] Mit der erfindungsgemässen Wärmepumpeneinrichtung wird nämlich erreicht, dass das gasförmige Arbeitsmittel, das bei seinem Austritt aus der Sekundärseite des Verdampfers noch ein Nassdampf sein kann, bei seinem Durchgang durch den Zusatzverdampfer vollständig verdampft wird und auch die für den Betrieb optimale Überhitzung erhält. Demgegenüber wird das flüssige Arbeitsmittel vor dessen Expansion bis in die Nähe seiner Verdampfungstemperatur abgekühlt. Dadurch liegt das Verhältnis zwischen Verdampfungsdruck und Kondensationsdruck des Arbeitsmittels niedriger, als dies bisher beim Stand der Technik üblich war, was die Leistung der Wärmepumpeneinrichtung erheblich erhöht. Von ganz besonderem Interesse sind diese Eigenschaften und Vorteile der erfindungsgemässen Wärmepumpeneinrichtung bei der Benutzung von Arbeitsmitteln, die aus einem Gemisch von mehreren (meist zwei bis drei) Stoffen zusammengesetzt sind und deshalb entsprechende Stufen der Verdampfungstemperatur aufweisen: es wird mit der erfindungsgemässen Wärmepumpeneinrichtung erreicht, dass das so zusammengesetzte Arbeitsmittel grösstenteils im Verdampfer bei den erwähnten Temperaturstufen verdampft, obwohl zufolge des Zusatzverdampfers ein erhöhter Sauggasdruck herrscht. With the inventive heat pump device is namely achieved that the gaseous working fluid, which may be a wet steam at its exit from the secondary side of the evaporator is completely evaporated in its passage through the auxiliary evaporator and also receives the optimum for the operation of overheating. In contrast, the liquid working fluid is cooled before its expansion to near its evaporation temperature. As a result, the ratio between the evaporation pressure and the condensation pressure of the working fluid is lower than was customary in the prior art, which considerably increases the performance of the heat pump device. Of particular interest are these properties and advantages of the inventive heat pump device when using work equipment, which are composed of a mixture of several (usually two or three) substances and therefore have corresponding stages of the evaporation temperature: it is achieved with the inventive heat pump device that the so-assembled working fluid largely evaporated in the evaporator at the temperature levels mentioned, although due to the additional evaporator, an elevated suction gas pressure prevails.

[0010] In anderen Worten, die Erfindung ermöglicht einen energetisch leistungsfähigeren Betrieb der erfindungsgemässen Wärmepumpeneinrichtung mit einem Verdampfungsdruck, der höher ist, als dies bisher beim Stand der Technik üblich war, und mit einer Temperatur am Expansionsventil, die tiefer ist, als dies bisher beim Stand der Technik üblich war. Daraus ergibt sich, dass zwischen dem Verdampfungsdruck und dem Verflüssigungsdruck der Druckunterschied kleiner ist, als dies bisher beim Stand der Technik üblich war, woraus sich eine Energieeinsparung am Verdichter ergibt, denn bei vermindertem Druckunterschied wird mehr Arbeitsmittel gefördert, was zu einer Verbesserung der Leistung der Wärmepumpeneinrichtung führt. In other words, the invention enables a more energetically efficient operation of the inventive heat pump device with an evaporation pressure that is higher than was customary in the prior art, and with a temperature at the expansion valve, which is lower than previously in the Prior art was common. It follows that between the evaporation pressure and the condensing pressure, the pressure difference is smaller than was customary in the prior art, resulting in an energy savings on the compressor, because at reduced pressure difference more working fluid is promoted, resulting in an improvement in the performance of Heat pump device leads.

[0011] Bei der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Wärmepumpeneinrichtung mit einem Rechner zur Steuerung eines oder mehrerer Expansionsventile sowie mit geeignet platzierten Temperaturfühlern und Druckfühlern zur Belieferung des Rechners mit ihren jeweiligen Ausgangssignalen besorgt der Rechner die Stabilisierung des In the preferred embodiment of the inventive heat pump device with a computer for controlling one or more expansion valves and with suitably placed temperature sensors and pressure sensors for supplying the computer with their respective output signals worried the computer stabilizing the

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Betriebs der Wärmepumpeneinrichtung, deren Regelung wegen der Reihenschaltung des Verdampfers und des Zusatzverdampfers sonst allzu leicht unstabil werden könnte. Operation of the heat pump device whose regulation could otherwise be easily unstable because of the series connection of the evaporator and the additional evaporator.

[0012] Erfindungsgemäss wird eine Wärmepumpeneinrichtung mit einem oder mehreren thermisch steuerbaren Expansionsventilen bevorzugt und mit einem oder mehreren elektronisch steuerbaren Expansionsventilen noch mehr bevorzugt. Bei seinem Austritt aus der Sekundärseite des Verdampfers braucht das Arbeitsmittel bei einer Wärmepumpeneinrichtung mit elektronisch steuerbaren Expansionsventilen weniger überhitzt zu sein als bei einer Wärmepumpeneinrichtung mit thermisch steuerbaren Expansionsventilen, weil es mit letzteren besonders bei schwankender Temperatur auf der Wärmeaufnahmeseite und/oder auf der Wärmeabgabeseite schwieriger ist, die Überhitzungstemperatur stabil zu halten. According to the invention, a heat pump device with one or more thermally controllable expansion valves is preferred and even more preferred with one or more electronically controllable expansion valves. At its exit from the secondary side of the evaporator, the working fluid in a heat pump device with electronically controllable expansion valves needs to be less superheated than in a heat pump device with thermally controllable expansion valves, because it is more difficult with the latter, especially with fluctuating temperature on the heat absorption side and / or on the heat release side to keep the superheat temperature stable.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings

[0013] Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben, wobei in allen Figuren einander gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet werden. Dabei zeigen: Embodiments of the invention will be described in more detail with reference to the drawings, wherein in all figures, the same parts are denoted by the same reference numerals. Showing:

Fig. 1 ein Blockschema einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemässen Wärmepumpeneinrichtung; 1 shows a block diagram of a first embodiment of the heat pump device according to the invention;

Fig. 2 ein Blockschema einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemässen Wärmepumpeneinrichtung; FIG. 2 is a block diagram of a second embodiment of the heat pump device according to the invention; FIG.

und and

Fig. 3 ein Blockschema einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemässen Wärmepumpeneinrichtung. 3 shows a block diagram of a third embodiment of the heat pump device according to the invention.

Wege zur Ausführung der Erfindung Ways to carry out the invention

[0014] Alle in den Figuren 1, 2 und 3 dargestellten Ausführungsformen der erfindungsgemässen Wärmepumpeneinrichtung umfassen drei Wärmeaustauscher, nämlich einen Verdampfer 10, der eine Primärseite 11 und eine Sekundärseite 12 aufweist, einen Verflüssiger 20, der eine Primärseite 21 und eine Sekundärseite 22 aufweist, und einen Zusatzverdampfer 30, der eine Primärseite 31 und eine Sekundärseite 32 aufweist (zur Erleichterung ihrer Erkennung sind die jeweilige Primärseite und Sekundärseite in allen Figuren und bei allen drei Wärmeaustauschern mit P bzw. S beschriftet). All shown in Figures 1, 2 and 3 embodiments of the heat pump device according to the invention comprise three heat exchangers, namely an evaporator 10 having a primary side 11 and a secondary side 12, a condenser 20 having a primary side 21 and a secondary side 22, and an auxiliary evaporator 30 having a primary side 31 and a secondary side 32 (to facilitate their recognition, the respective primary side and secondary side are labeled P and S in all figures and in all three heat exchangers).

[0015] Die beschriebene Wärmepumpeneinrichtung dient dazu, der Raumluft, einem stehenden oder fliessenden Gewässer (inklusive Grundwasser und Becken), dem Erdreich, einem Bauwerk (wie Heizraum oder zu heizender Wohnraum), einem in einem Kreislauf zirkulierenden Fluid (wie Gas, Nassgas oder Flüssigkeit) - und dergleichen - Wärme an einem bestimmten Ort (Wärmequelle) zu entziehen und an einem anderen Ort (Wärmefalle) abzugeben. Als Beispiel davon wird die Beheizung eines Gebäudes durch die einem Gewässer entnommene Wärme beschrieben. Diesem Beispiel entsprechend wird in den Figuren 1, 2 und 3 dargestellt, dass zur Primärseite 11 des Verdampfers 10 ein Leitungspaar mit einem Vorlauf 13 und einem Rücklauf 14 führt und zur Sekundärseite 22 des Verflüssigers 20 ein Leitungspaar mit einem Vorlauf 23 und einem Rücklauf 24 führt. Das im Vorlauf 13 der Primärseite 11 des Verdampfers 10 zuflies-sende, dem Gewässer entnommene Wasser wird dort abgekühlt und danach im Rücklauf 14 dem Gewässer zurückgeleitet. Das im Vorlauf 23 der Sekundärseite 22 des Verflüssigers 20 zufliessende Heizkörperwasser wird dort aufgewärmt und danach im Rücklauf 24 den Heizkörpern des Gebäudes zugeleitet. Demgegenüber können bei einer anderen Anwendung, beispielsweise Nutzung der Wärme des Erdreiches oder Kühlung der Luft einer Kühlkammer, die Primärseite 11 des Verdampfers 10 als Kühlkörper und die Sekundärseite 22 des Verflüssigers 20 als Heizkörper ausgebildet sein. The heat pump device described serves the air in the room, a standing or flowing water (including groundwater and basins), the soil, a building (such as boiler room or living room to be heated), circulating in a circulating fluid (such as gas, wet gas or Liquid) - and the like - to extract heat at a certain location (heat source) and deliver it to another location (heat trap). As an example, the heating of a building is described by the heat taken from a body of water. According to this example, it is shown in FIGS. 1, 2 and 3 that a line pair leads to the primary side 11 of the evaporator 10 with a feed 13 and a return 14 and leads to the secondary side 22 of the condenser 20 a line pair with a feed 23 and a return 24 , The in the lead 13 of the primary side 11 of the evaporator 10 zuflies-sending, the water taken water is cooled there and then returned in the return 14 to the water. The flowing in the flow 23 of the secondary side 22 of the condenser 20 radiator water is warmed up there and then fed in the return 24 to the radiators of the building. In contrast, in another application, for example, use of the heat of the soil or cooling the air of a cooling chamber, the primary side 11 of the evaporator 10 may be formed as a heat sink and the secondary side 22 of the condenser 20 as a radiator.

[0016] Zum Zwecke des Transports der Wärme in der beschriebenen Wärmepumpeneinrichtung von der Primärseite 11 des Verdampfers 10 zur Sekundärseite 22 des Verflüssigers 20 liegen der Verdampfer 10 und der Verflüssiger 20 in einem Arbeitsmittelkreislauf 40, in dem ein geeignetes Wärmepumpen-Arbeitsmittel zirkuliert. Solche Arbeitsmittel, die insbesondere in der Heiztechnik auch als Wärmeübertragungsmittel oder Wärmeträger und in der Kühltechnik auch als Kühlmittel bezeichnet werden, sind an sich wohlbekannt, vgl. beispielsweise in Römpp «Chemie Lexikon» (Georg Thie-me Verlag, Stuttgart, Deutschland), 9. Ausgabe, Band 6 (1992), Seite 4980 und Band 1 (1989), Seiten 700-701, sowie für Wärmepumpen-Arbeitsmittel neueren Datums in «HeizungKlima» 5/02, Seiten 76-77, Artikel von E. Ochsner (vgl. auch den darin zitierten Literaturnachweis). Diese Arbeitsmittel können aus einem einzelnen Stoff wie beispielsweise Propan oder Butan bestehen, oder es handelt sich um ein Gemisch von mehreren (meist zwei bis drei) Stoffen wie beispielsweise Kohlenwasserstoffe und/oder Fluorchlorkohlenwasserstoffe, wobei diese Stoffe für ihren jeweiligen Phasenwechsel zwischen flüssig und gasförmig in ihren Eigenschaften und Parameter verschieden sind und sich aus eben diesen Unterschieden vorteilhafte technische Weiterentwicklungen und Nutzen ergeben. For the purpose of transporting the heat in the described heat pump device from the primary side 11 of the evaporator 10 to the secondary side 22 of the condenser 20, the evaporator 10 and the condenser 20 are in a working fluid circuit 40 in which circulates a suitable heat pump working fluid. Such work equipment, which are also referred to as heat transfer medium or heat transfer medium in the heating technology and in the cooling technology as coolant, are well known per se, see. For example, in Rompp "chemistry lexicon" (Georg Thie -me Verlag, Stuttgart, Germany), 9th edition, Volume 6 (1992), page 4980 and Volume 1 (1989), pages 700-701, as well as for heat pump work equipment of recent date in "Heating Climate" 5/02, pages 76-77, article by E. Ochsner (see also the reference cited therein). These working means may consist of a single substance such as propane or butane, or it is a mixture of several (usually two or three) substances such as hydrocarbons and / or chlorofluorocarbons, these substances for their respective phase change between liquid and gaseous in Their properties and parameters are different and result from just these differences advantageous technical developments and benefits.

[0017] Im Arbeitsmittelkreislauf 40 der beschriebenen Wärmepumpeneinrichtung liegen nacheinander in Reihenschaltung, ausgehend vom bereits erwähnten Zusatzverdampfer 30: die Sekundärseite 32 des Zusatzverdampfers 30, ein Abschnitt 41 des Arbeitsmittelkreislaufes 40, ein Verdichter 50, ein Abschnitt 42 des Arbeitsmittelkreislaufes 40, die Primärseite 21 des Verflüssigers 20, ein Abschnitt 43 des Arbeitsmittelkreislaufes 40, die Primärseite 31 des Zusatzverdampfers 30, ein Abschnitt 44 des Arbeitsmittelkreislaufes 40, ein Expansionsventil 60, ein Abschnitt 45 des Arbeitsmittelkreislaufes 40, die Sekundärseite 12 des Verdampfers 10, ein Abschnitt 46 des Arbeitsmittelkreislaufes 40, und zur Schliessung des Arbeitsmittelkreislaufes 40 wieder die Sekundärseite 32 des Zusatzverdampfers 30. Dieser Arbeitsmittelkreislauf 40 ist bar jeglicher Kurzschluss-Umleitung (By-Pass), die einer Teilmenge des Arbeitsmittels gestatten könnte, darin befindliche Elemente der Wärmepumpeneinrichtung, insbesondere die Primärseite 31 oder die Sekundärseite 32 des Zusatzverdampfers 30, zu umgehen. Durch die entsprechenden Abschnitte 46 und 43 des Arbeitsmittelkreislaufes 40 ist die Sekundärseite 12 des Verdampfers 10 unmittelbar mit der Sekundärseite 32 des Zusatzverdampfers 30 In the working fluid circuit 40 of the heat pump device described are successively in series, starting from the aforementioned additional evaporator 30: the secondary side 32 of the auxiliary evaporator 30, a portion 41 of the working fluid circuit 40, a compressor 50, a portion 42 of the working fluid circuit 40, the primary side 21 of Condenser 20, a portion 43 of the working medium circuit 40, the primary side 31 of the auxiliary evaporator 30, a portion 44 of the working medium circuit 40, an expansion valve 60, a portion 45 of the working medium circuit 40, the secondary side 12 of the evaporator 10, a portion 46 of the working medium circuit 40, and to close the working medium circuit 40 again the secondary side 32 of the auxiliary evaporator 30. This working medium circuit 40 is bar any short-circuit bypass (BY-pass), which could allow a subset of the working fluid, therein elements of the heat pump device, in particular, the primary side 31 or the secondary side 32 of the additional evaporator 30 to work around. Through the corresponding sections 46 and 43 of the working medium circuit 40, the secondary side 12 of the evaporator 10 is directly connected to the secondary side 32 of the auxiliary evaporator 30th

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und die Primärseite 21 des Verflüssigers 20 unmittelbar mit der die Primärseite 31 des Zusatzverdampfers 30 verbunden. Somit ist dafür gesorgt, dass das gesamte die Sekundärseite 12 des Verdampfers 10 durchfliessende Arbeitsmittel auch die Sekundärseite 32 des Zusatzverdampfers 30 durchfliesst und das gesamte die Primärseite 21 des Verflüssigers 20 durchfliessende Arbeitsmittel auch die Primärseite 31 des Zusatzverdampfers 30 durchfliesst. and the primary side 21 of the condenser 20 is directly connected to the primary side 31 of the auxiliary evaporator 30. Thus, it is ensured that the entire secondary side 12 of the evaporator 10 flowing through the working fluid also flows through the secondary side 32 of the additional evaporator 30 and the entire primary side 21 of the condenser 20 flowing through the working fluid also flows through the primary side 31 of the additional evaporator 30.

[0018] Es ist diese Massnahme der unmittelbaren Verbindung ohne Kurzschluss-Umleitung (By-Pass), welche den weiter oben genannten Vorteil der verbesserten Nutzbarmachung von dem flüssigen Arbeitsmittel vor dessen Expansion entnommenen Energie zu erreichen erlaubt. Das aus der Sekundärseite 32 des Verdampfers 30 austretende Arbeitsmittel verbraucht zu seiner Überhitzung eine Energie, die bei der erfindungsgemässen Wärmepumpeneinrichtung nur dem flüssigen Arbeitsmittel vor dessen Expansion entnommen wird und nicht wie beim Stand der Technik über die Primärseite 11 des Verdampfers 10 letzthin von der Wärmequelle kommt. Die Sekundärseite 12 des Verdampfers 10 erhält Arbeitsmittel auf wesentlich tieferen Temperaturen als beim Stand der Technik. Schon in der Anfangsphase «lebt» daher der Verdampfungsprozess auf der Sekundärseite 12 des Verdampfers 10 nicht von der Energie im flüssigen Arbeitsmittel wie beim Stand der Technik, sondern bereits von der Wärmequelle. Auf der Sekundärseite 12 des Verdampfers 10 benötigt das Arbeitsmittel keine Überhitzung, so dass die beim Stand der Technik dafür benötigte Energie für die Verdampfung von zusätzlichem Arbeitsmittel zur Verfügung steht. Aus diesen beiden von der Erfindung ermöglichten Änderungen gegenüber dem Stand der Technik ergibt sich eine markante Leistungssteigerung der Wärmepumpeneinrichtung. It is this measure of direct connection without short-circuit bypass (by-pass), which allows the above-mentioned advantage of the improved utilization of the liquid working fluid to be removed before its expansion energy. The exiting from the secondary side 32 of the evaporator 30 working fluid consumed to its overheating energy that is removed in the inventive heat pump device only the liquid working fluid before its expansion and not as in the prior art on the primary side 11 of the evaporator 10 lately comes from the heat source , The secondary side 12 of the evaporator 10 receives working fluid at much lower temperatures than in the prior art. Even in the initial phase, therefore, the evaporation process on the secondary side 12 of the evaporator 10 does not "live" from the energy in the liquid working medium as in the prior art, but already from the heat source. On the secondary side 12 of the evaporator 10, the working fluid does not require overheating, so that the energy required in the prior art for the evaporation of additional working fluid is available. From these two changes made possible by the invention over the prior art results in a significant increase in performance of the heat pump device.

[0019] Dabei können (auf nicht dargestellte Weise) die miteinander unmittelbar verbundenen Verdampfer (10) und Zusatzverdampfer (30) als zweistufiges Verdampferaggregat zusammengebaut sein, beispielsweise in einem einzigen gemeinsamen Gehäuse, wobei die erste Stufe dieses Verdampferaggregats funktionell dem Verdampfer (10) und die zweite Stufe dieses Verdampferaggregats funktionell dem Zusatzverdampfer (30) entspricht. In this case, (not shown), the directly connected evaporator (10) and auxiliary evaporator (30) may be assembled as a two-stage evaporator unit, for example in a single common housing, the first stage of this evaporator unit functionally the evaporator (10) and the second stage of this evaporator unit functionally corresponds to the auxiliary evaporator (30).

[0020] In Wärmepumpeneinrichtungen wird bekanntlich eine Regelung des Arbeitsmittelkreislaufes benötigt. Insbesondere ist bekanntlich in Wärmepumpeneinrichtungen der beschriebenen Art mit einem Verdichter 50 die Expansion des Arbeitsmittels vor dem Verdampfer 10 in Abhängigkeit der Temperatur des Arbeitsmittels vor dem Verdichter 50 zu regeln, um die Kombination der Wärmeaufnahme im Verdampfer 10 und der Wärmeabgabe im Verflüssiger 20 zu optimieren. In heat pump devices, a regulation of the working medium circuit is known to be required. In particular, it is known in heat pump devices of the type described with a compressor 50 to regulate the expansion of the working fluid before the evaporator 10 as a function of the temperature of the working fluid before the compressor 50 to optimize the combination of heat absorption in the evaporator 10 and the heat output in the condenser 20.

[0021] Zum Zwecke dieser Regelung ist in der Ausführungsform gemäss Fig. 1 ein Temperaturfühler 70 an dem von der Sekundärseite 32 des Zusatzverdampfers 30 kommenden und zum Verdichter 50 führenden Abschnitt 41 des Arbeitsmittelkreislaufes 40 angeordnet. Dieser Temperaturfühler 70 steuert das Expansionsventil 60 mechanisch oder mittels Druckflüssigkeit (wie in Fig. 1 schematisch durch eine Druckleitung 75 angedeutet) oder noch elektronisch, wodurch der Arbeitsmittelkreislauf 40 geregelt werden kann. For the purpose of this regulation, in the embodiment according to FIG. 1, a temperature sensor 70 is arranged on the section 41 of the working medium circuit 40 coming from the secondary side 32 of the additional evaporator 30 and leading to the compressor 50. This temperature sensor 70 controls the expansion valve 60 mechanically or by means of pressure fluid (as indicated schematically in FIG. 1 by a pressure line 75) or electronically, whereby the working fluid circuit 40 can be regulated.

[0022] Zur Verbesserung dieser Regelung sind in der Ausführungsform gemäss Fig. 2, zusätzlich zu den oben beschriebenen Komponenten der Ausführungsform gemäss Fig. 1, einerseits ein zusätzlicher Temperaturfühler 71 auf dem von der Sekundärseite 12 des Verdampfers 10 kommenden und zur Sekundärseite 32 des Zusatzverdampfers 30 führenden Abschnitt 46 des Arbeitsmittelkreislaufes 40, andererseits ein zusätzliches Expansionsventil 61 in Parallelschaltung zum Expansionsventil 60 zwischen dem von der Primärseite 31 des Zusatzverdampfers 30 zum Expansionsventil 60 führenden Abschnitt 44 des Arbeitsmittelkreislaufes 40 und dem vom Expansionsventil 60 zur Sekundärseite 12 des Verdampfers 10 führenden Abschnitt 45 des Arbeitsmittelkreislaufes 40 angeordnet. Auch hier steuert der Temperaturfühler 71 das zusätzliche Expansionsventil 61 mechanisch oder mittels Druckflüssigkeit (wie in Fig. 2 schematisch durch eine Druckleitung 76 angedeutet) oder noch elektronisch. Dank dieser Steuerung zweier parallel geschalteter Expansionsventile 60 und 61 durch jeweils zugeordnete, an verschiedenen ausgewählten Stellen des Arbeitsmittelkreislaufes 40 angeordneten Temperaturfühler 70 und 71 kann der Arbeitsmittelkreislauf 40 noch leichter und besser (d.h. im Wesentlichen stabiler und präziser) geregelt werden. To improve this scheme are in the embodiment of FIG. 2, in addition to the above-described components of the embodiment of FIG. 1, on the one hand, an additional temperature sensor 71 on the coming from the secondary side 12 of the evaporator 10 and the secondary side 32 of the additional evaporator 30 leading portion 46 of the working medium circuit 40, on the other hand, an additional expansion valve 61 in parallel with the expansion valve 60 between leading from the primary side 31 of the additional evaporator 30 to the expansion valve 60 section 44 of the working medium circuit 40 and the expansion valve 60 to the secondary side 12 of the evaporator 10 leading portion 45th of the working medium circuit 40 is arranged. Again, the temperature sensor 71 controls the additional expansion valve 61 mechanically or by means of hydraulic fluid (as indicated schematically in Fig. 2 by a pressure line 76) or even electronically. By virtue of this control of two expansion valves 60 and 61 connected in parallel through respective temperature sensors 70 and 71 arranged at different selected locations of the working medium circuit 40, the working medium circuit 40 can be controlled even more easily and better (i.e., substantially more stable and precise).

[0023] Durch Beizug von Elektronik und Recheneinrichtungen kann die Regelung des Arbeitsmittelkreislaufes der erfindungsgemässen Wärmepumpeneinrichtung noch weiter erleichtert und verbessert d.h. im Wesentlichen noch stabiler und präziser gemacht werden. Dazu sind an verschiedenen ausgewählten Stellen des Arbeitsmittelkreislaufes mindestens ein elektronischer Temperaturfühler und mindestens ein elektronischer Druckfühler angeordnet, die mit einem Rechner verbunden sind, der seinerseits mit mindestens einem elektronisch steuerbaren Expansionsventil verbunden ist. By incorporation of electronics and computing devices, the regulation of the working fluid circuit of the inventive heat pump device can be further facilitated and improved. essentially made even more stable and precise. For this purpose, at least one electronic temperature sensor and at least one electronic pressure sensor are arranged at different selected points of the working medium circuit, which are connected to a computer, which in turn is connected to at least one electronically controllable expansion valve.

[0024] Beispielsweise sind in der Ausführungsform gemäss Fig. 3 am Arbeitsmittelkreislauf 40 sechs Temperaturfühler 81, ein Druckfühler 83 und ein Expansionsventil 88 vorgesehen, die über entsprechende elektronische Verbindungen 82 bzw. 84 bzw. 89 mit einem Rechner 80 verbunden sind, der die jeweiligen elektronischen Ausgangssignale der Temperaturfühler und des Druckfühlers erhält und daraus ein Steuersignal für das Expansionsventil 88 bildet und diesem abgibt. Die Temperaturfühler 81 sind an allen Abschnitten des Arbeitsmittelkreislaufes 40 ausser an dem zwischen dem Expansionsventil 88 und der Sekundärseite 12 des Verdampfers 10 liegenden Abschnitt 45 angeordnet - weil ein auch dort angeordneter Temperaturfühler bei dieser Ausführungsform gemäss Fig. 3 kaum zur weiteren Optimierung der Regelung beitragen würde. Da sich in den zwischen dem Expansionsventil 88 und dem Verdichter 50 angeordneten Elementen (Abschnitt 45, Sekundärseite 12 des Verdampfers 10, Abschnitt 46, Sekundärseite 32 des Zusatzverdampfers 30, Abschnitt 41) der Druck gleichmässig ausbreitet, ist ein einziger Druckfühler 83 vorgesehen, der bei dieser Ausführungsform gemäss Fig. 3 am Abschnitt 46 zwischen der Primärseite 31 des Zusatzverdampfers 30 und der Sekundärseite 32 des Zusatzverdampfers 30 angeordnet ist - ein an anderer Stelle angeordneter Druckfühler würde dem Rechner eine äquivalente Information liefern, und an anderen Stellen angeordnete zusätzliche Druckfühler würden dem Rechner keine zusätzliche Information liefern. For example, in the embodiment according to FIG. 3, six temperature sensors 81, a pressure sensor 83 and an expansion valve 88 are provided on the working medium circuit 40, which are connected via corresponding electronic connections 82, 84 and 89 to a computer 80 which controls the respective ones receives electronic output signals of the temperature sensor and the pressure sensor and forms a control signal for the expansion valve 88 and this gives. The temperature sensors 81 are arranged at all portions of the working medium circuit 40 except at the lying between the expansion valve 88 and the secondary side 12 of the evaporator 10 section 45 - because a arranged there temperature sensor in this embodiment according to FIG. 3 would hardly contribute to the further optimization of the scheme , Since in the arranged between the expansion valve 88 and the compressor 50 elements (section 45, secondary side 12 of the evaporator 10, section 46, secondary side 32 of the additional evaporator 30, section 41), the pressure spread evenly, a single pressure sensor 83 is provided at 3 at the portion 46 between the primary side 31 of the auxiliary evaporator 30 and the secondary side 32 of the additional evaporator 30 is arranged - a pressure sensor arranged elsewhere would provide the computer with an equivalent information, and arranged at other locations additional pressure sensor would the computer provide no additional information.

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CH 695 464 A5 CH 695 464 A5

[0025] Die Zusammensetzung, Dimensionierung und Berechnung der vorstehend beschriebenen Komponenten der erfindungsgemässen Wärmepumpeneinrichtung sind der Fachperson bekannt und geläufig. Entsprechendes ist beispielsweise der Schrift «Wärmepumpen für die Trinkwassererwärmung» von F. Kalberer, A. Kohler und H. Müller-Lemans, Herausgeber Bundesamt für Konjunkturfragen (BfK, Schweiz), (1998, Bestell-Nr. 724 360) sowie der darin zitierten Literatur entnehmbar. The composition, dimensioning and calculation of the above-described components of the heat pump device according to the invention are known and familiar to the person skilled in the art. The same is true, for example, of the document "Heat Pumps for Drinking Water Heating" by F. Kalberer, A. Kohler and H. Müller-Lemans, publisher Federal Office for Economic Cycle Affairs (BfK, Switzerland), (1998, order number 724 360) and the document cited therein Literature removable.

[0026] Bezugszeichenliste [0026] List of Reference Numerals

10 Verdampfer 10 evaporators

11 Primärseite des Verdampfers 10 11 Primary side of the evaporator 10

12 Sekundärseite des Verdampfers 10 12 secondary side of the evaporator 10th

13 Vorlauf zur Primärseite 11 des Verdampfers 10 13 flow to the primary side 11 of the evaporator 10th

14 Rücklauf aus Primärseite 11 des Verdampfers 10 14 return from the primary side 11 of the evaporator 10th

20 Verflüssiger 20 liquefier

21 Primärseite des Verflüssigers 20 21 primary side of the condenser 20

22 Sekundärseite des Verflüssigers 20 22 secondary side of the condenser 20

23 Vorlauf zur Primärseite 21 des Verflüssigers 20 23 flow to the primary side 21 of the condenser 20

24 Rücklauf aus Primärseite 21 des Verflüssigers 20 24 return from the primary side 21 of the condenser 20th

30 Zusatzverdampfer 30 additional evaporator

31 Primärseite des Zusatzverdampfers 30 31 primary side of the additional evaporator 30th

32 Sekundärseite des Zusatzverdampfers 30 32 secondary side of the additional evaporator 30th

40 Arbeitsmittelkreislauf 40 working fluid circuit

41 Abschnitt des Arbeitsmittelkreislaufs 40 41 section of the working medium circuit 40th

42 Abschnitt des Arbeitsmittelkreislaufs 40 42 section of the working medium circuit 40th

43 Abschnitt des Arbeitsmittelkreislaufs 40 43 section of the working medium circuit 40

44 Abschnitt des Arbeitsmittelkreislaufs 40 44 section of the working medium circuit 40th

45 Abschnitt des Arbeitsmittelkreislaufs 40 45 section of the working medium circuit 40th

46 Abschnitt des Arbeitsmittelkreislaufs 40 50 Verdichter 46 Section of the working medium circuit 40 50 Compressor

60 Expansionsventil 60 expansion valve

61 zusätzliches Expansionsventil 61 additional expansion valve

70 Temperaturfühler 70 temperature sensor

71 zusätzlicher Temperaturfühler 71 additional temperature sensor

75 Druckleitung vom Temperaturfühler 70 75 Pressure line from the temperature sensor 70

75 Druckleitung vom Temperaturfühler 71 75 Pressure line from the temperature sensor 71

80 Rechner 80 computers

81 Temperaturfühler 81 temperature sensor

82 elektronische Verbindung 82 electronic connection

83 Druckfühler 83 pressure sensor

84 elektronische Verbindung 84 electronic connection

88 elektronisch steuerbares Expansionsventil 88 electronically controllable expansion valve

89 elektronische Verbindung 89 electronic connection

Claims

claims

A heat pump device comprising three heat exchange elements (10; 20; 30) each having a primary side (11; 21; 31) and a secondary side (12; 22; 32), of which a first one (10) is an evaporator, a second one (10). 20) as a condenser and a third (30) are referred to as additional evaporator, and with a in a working fluid circuit (40) guided working means for transporting heat from the primary side (11) of the evaporator (10) to the secondary side (22) of the condenser (20 ), in which

• in the working fluid circuit (40), the primary side (21) of the condenser (20), one of the primary side (21) of the condenser (20) upstream compressor (50), the secondary side (12) of the evaporator (10) and one of the secondary side (12 ) of the evaporator (10) upstream controllable expansion valve (60) are arranged and

The primary side (31) of the additional evaporator (30) between a section (43) of the working medium circuit (40) coming from the primary side (21) of the condenser (20) and a section (44) of the working medium circuit (40) leading to the expansion valve (60) ) and the secondary side (32) of the auxiliary evaporator (30) between one of the secondary side (12) of the evaporator (10) coming section (46) of the working medium circuit (40) and a compressor (50) leading portion (41) of the working medium circuit ( 40) are arranged,

characterized in that in the working fluid circuit (40) the entire secondary side (12) of the evaporator (10) flowing through the working fluid also the secondary side (32) of the auxiliary evaporator (30) and the entire the primary side (21) of the condenser (20) flowing through the working fluid also flows through the primary side (31) of the additional evaporator (30).

2. Heat pump device according to claim 1, characterized in that in the working medium circuit (40) the secondary side (12) of the evaporator (10) directly to the secondary side (32) of the additional evaporator (30) and the primary side (21) of the condenser (20) directly to which the primary side (31) of the auxiliary evaporator (30) is connected.

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3. Heat pump device according to claim 1 or 2, characterized in that the evaporator (10) and the additional evaporator (30) are assembled as a two-stage evaporator unit, the first stage functionally corresponds to the evaporator (10) and the second stage functionally the additional evaporator (30) ,

4. Heat pump device according to claim 1 or 2, characterized in that for controlling the working medium circuit (40) one of the control of the expansion valve (60) serving temperature sensor (70) on the from the secondary side (32) of the additional evaporator (30) coming and the compressor (50) leading portion (41) of the working medium circuit (40) is arranged.

5. Heat pump device according to claim 4, characterized in that the temperature sensor (70) controls the expansion valve (60) mechanically or by means of pressure fluid.

6. Heat pump device according to claim 4, characterized in that the temperature sensor (70) controls the expansion valve (60) electronically.

7. Heat pump device according to claim 4, characterized in that in the working fluid circuit (40) between which coming from the primary side (31) of the additional evaporator (30) and the expansion valve (60) leading portion (44) and its coming from the expansion valve (60) and to the secondary side (12) of the evaporator (10) leading portion (45) an additional expansion valve (61) is arranged in parallel to the expansion valve (60) and that for controlling the working medium circuit (40) one of the control of the additional expansion valve (61) serving additional Temperature sensor (71) on the from the secondary side (12) of the evaporator (10) coming and to the secondary side (32) of the additional evaporator (30) leading portion (46) of the working medium circuit (40) is arranged.

8. Heat pump device according to claim 7, characterized in that the additional temperature sensor (71) controls the additional expansion valve (61) mechanically or by means of hydraulic fluid.

9. Heat pump device according to claim 7, characterized in that the additional temperature sensor (71) controls the additional expansion valve (61) electronically.

10. Heat pump device according to claim 1 or 2, characterized in that the expansion valve is designed as an electronically controllable expansion valve and that for controlling the working medium circuit (40) at least one electronic temperature sensor (81) and at least one electronic pressure sensor (83) are arranged thereon via corresponding electronic connections (82, 84) to a computer (80) are connected to supply them with their respective electronic output signals, and the computer (80) via a corresponding electronic connection (89) at least with the electronically controllable expansion valve (88 ) is connected to control this.

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