DE10122000A1

DE10122000A1 - Thermische Kreislaufanlage

Info

Publication number: DE10122000A1
Application number: DE2001122000
Authority: DE
Inventors: Frank Obrist; Peter Kuhn
Original assignee: Obrist Engineering GmbH
Current assignee: Obrist Engineering GmbH
Priority date: 2001-05-05
Filing date: 2001-05-05
Publication date: 2002-11-07

Abstract

Die Kreislaufanlage zur Klimatisierung eines Raumes hat ein von einem phasenveränderlichen Wärmeträger durchströmtes Kanalnetz (1, 2, 3), einen inneren und einen äußeren Wärmetauscher (6, 7) und zwischen diesen einerseits einen Kompressor (4) und andererseits ein Expansionsventil (5). Parallel zu einem in Strömungsrichtung hinter dem Expansionsventil (5) angeordneten Wärmetauscher (6, 7) ist jeweils ein Bypasskanal (14, 15) vorgesehen, an dessen Abzweigstelle ein Phasentrenner (16, 17) angeordnet ist. Der Flüssigauslass des Phasentrenners (16, 17) führt zu dem Wärmetauscher (6, 7) und sein Gasauslass führt in den Bypasskanal (14, 15). Ein in dem Gasauslass oder dem Bypasskanal angeordnetes Drosselelement (18) trägt zur Strömungsverteilung zwischen der vorwiegend flüssigen Strömung durch den Wärmetauscher und der nur gasförmigen Strömung durch den Bypasskanal (14, 15) bei. Auf diese Weise ergibt sich eine verbesserte Ausnutzung des Wärmetauschers (6, 7) durch verbesserte Wärmeübertragung und ein geringerer Druckverlust im Kanalsystem (1, 2, 3) durch den geringerem Strömungswiderstnad im Bypasskanal (14, 15).

Description

Die Erfindung betrifft eine thermische Kreislaufanlage zur Klimatisierung eines Raumes, in deren von einem phasenveränderlichen Wärmeträger durchströmten Kanalnetz mindestens ein innerer und ein äusserer Wärmetauscher und zwischen diesen einerseits ein Kompres sor und anderseits mindestens ein Expansionsventil angeordnet ist.

Eine sowohl dem Beheizen als auch dem Kühlen dienende Kreislaufanlage dieser Art ist bekannt durch die DE-A-198 06 654. Beim Durchströmen des inneren, der Klimatisierung des Raumes dienenden Wärmetauschers im Kühlbetrieb und beim Durchströmen des äus seren, der Wärmeaufnahme aus der Umgebung dienenden Wärmetauschers im Wärme pumpenbetrieb besteht der Wärmeträger aus einem Gemisch aus gasförmiger und flüssiger Phase. Dadurch ergibt sich im Vergleich zu einer Durchströmung eines Wärmetauschers mit nur der flüssigen Phase, bezogen auf die strömende Masse, ein höherer Strömungswi derstand und eine wesentlich schlechtere Wärmeübertragung, mit entsprechend grossem Bedarf an Antriebsleistung des Kompressors und Dimensionierung des betreffenden Wärmetauschers.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit geringem konstruktivem Aufwand den ge nannten Nachteil zu vermeiden und folglich den Wirkungsgrad einer Kreislaufanlage der genannten Art zu verbessern und/oder die Baugrösse der Kreislaufanlage bzw. ihrer Kom ponenten und den Mengenbedarf an Wärmeträger zu senken.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäss dadurch, dass parallel zu einem in Strömungsrichtung hinter dem Expansionsventil angeordneten Wärmetauscher ein Bypass kanal vorgesehen ist, an dessen Abzweigstelle ein Phasentrenner angeordnet ist, dessen Flüssigauslass zu dem Wärmetauscher führt und dessen Gasauslass in den Bypasskanal führt, wobei in dem Bypasskanal ein Drosselelement vorgesehen ist.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese im Folgenden an Hand der Zeichnun gen erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Kreislaufanlage zum Kühlen,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Kreislaufanlage zum Heizen,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer die Kreislaufanlagen nach Fig. 1 und Fig. 2 um fassenden, zwischen beiden umschaltbaren Kreislaufanlage,

Fig. 4 eine Kreislaufanlage entsprechend Fig. 1 mit einer zweistufigen Ausführung des in neren Wärmetauschers,

Fig. 5 eine Kreislaufanlage entsprechend Fig. 2 mit einer zweistufigen Ausführung des äus seren Wärmetauschers und

Fig. 6 eine separate, vergrösserte Darstellung eines Phasentrenners im Axialschnitt.

Das Kanalnetz 1 nach Fig. 1 und das Kanalnetz 2 nach Fig. 2 bzw. die Teilnetze 1 und 2 des kombinierten Kanalnetzes 3 nach Fig. 3 haben auf an sich bekannte Weise jeweils einen Kompressor 4, ein Expansionsventil 5, einen inneren, der Klimatisierung eines Raumes dienenden Wärmetauscher 6, einen äusseren, der Wärmeaufnahme oder Wärmeabführung dienenden Wärmetauscher 7, einen für den Kühlbetrieb vorteilhaften Zwischenwärmetau scher 8 und einen Sammler 9 für die Speicherung der flüssigen Phase des Wärmeträgers. Im kombinierten Kanalnetz 3 nach Fig. 3 sind zwei umschaltbare Strömungsverteiler 10 und 11 nach Art eines Dreiwegeventils vorgesehen. Die Stellposition dieser Strömungsver teiler 10 und 11 bestimmt die Betriebsart des Kanalnetzes 3 und damit die Trennung zwi schen beiden Teilen 1 und 2 des Kanalnetzes 1, je nachdem ob für die Klimatisierung ent sprechend einer Temperaturvorgabe ein Heizen oder Kühlen erforderlich ist.

Die grundsätzliche Funktionsweise der beiden nach dem Kompressions- und Expansions prinzip arbeitenden Betriebskreisläufe der Kanalnetze 1 und 2 oder der Teile 1 und 2 des Kanalnetzes 3 ist durch die Literatur gut bekannt.

Bei Anwendung zur Klimatisierung des Fahrgastraumes eines Kraftfahrzeuges ist der in nere Wärmetauscher 6 in einem Frisch- und/oder Umluftkanal des Fahrzeuges angeordnet. Die für den Kühlbetrieb des ersten Teils 1 des Kanalnetzes 3 abzugebende Wärme wird über einen vom Fahrtwind angeströmten äusseren Wärmetauscher 7 abgeführt. Eine wei tere Abkühlung des Wärmeträgers erfolgt in dem Zwischenwärmetauscher 8, der im Ge genstrom mit dem vom inneren Wärmetauscher 6 zum Kompressor 4 hin zurückströmen den Wärmeträger wirksam ist. Die Strömungsrichtung des Wärmeträgers im Kühlbetrieb ist durch Pfeile 12 angedeutet.

Die Strömungsrichtung des Wärmeträgers im Teil 2 des Kanalnetzes 3 ist durch Pfeile 13 angedeutet. Die für den Heiz- bzw. Wärmepumpenbetrieb zuzuführende Wärme wird durch den äusseren Wärmetauscher 7 aufgenommen. Die bei niedrigem Temperaturniveau durch den Wärmeträger aufgenommene Wärme wird im Kompressor 4 auf ein solches Ni veau angehoben, dass im inneren Wärmetauscher 6 ausreichend Wärme zur schnell wirk samen Raumaufheizung zur Verfügung gestellt wird.

In beiden Betriebsarten ergibt sich durch die Abkühlung des in Strömungsrichtung hinter dem Kompressor 4 angeordneten Wärmetauschers 6 oder 7 und die anschliessende Expan sion im Expansionsventil 5 eine teilweise Verflüssigung des Wärmeträgers. Um zu verhin dern, dass beim Durchströmen des in Strömungsrichtung dem Expansionsventil folgenden Wärmetauschers 6 oder 7 durch das Gemisch aus Flüssigkeit und Gas ein vergrösserter Strömungswiderstand und durch einen grossen Gasanteil eine verschlecherte Wärmeüber tragung erfolgt, ist gemäss der Erfindung parallel zu dem in Strömungsrichtung hinter dem Expansionsventil angeordneten Wärmetauscher eine Bypasskanal 14 bzw. 15 vorgesehen ist, dessen Abzweigung aus einem Phasentrenner 16 bzw. 17 besteht, dessen Flüssigaus lass zu dem Wärmetauscher 6 bzw. 7 führt und dessen Gasauslass einen Teil des Bypasska nals 14 bzw. 15 bildet. Ein mit dem Phasentrenner 16 bzw. 17 funktionell kombiniertes Drosselelement 18 ist auf den im Wärmetauscher 6 bzw. 7 auftretenden Druckverlust abge stimmt, so das nur ein minimaler, für die Förderung der flüssigen Phase erforderlicher An teil an Gasphase durch den Wärmetauscher 6 bzw. 7 strömt und somit der wesentlich grös sere Anteil an Gasphase mit erheblich geringerem Strömungswiderstand als im Wärmetau scher 6 bzw. 7 durch den Bypasskanal 14 bzw. 15 strömt.

Da die flüssige Phase im Wärmetauscher 6 bzw. 7 Wärme aufnimmt, nimmt der Anteil der Gasphase in ihm zu. Um die entsprechend wieder zunehmenden Nachteile der zuvor ge nannten Art zu vermeiden, werden die betreffenden Wärmetauscher 6 bzw. 7 vorzugsweise mindestens zweistufig ausgeführt und zwischen ihnen jeweils ein weiterer, mit einem By passkanal 19 bzw. 20 kombinierter Phasentrenner 21 bzw. 22 vorgesehen.

Die Fig. 4 zeigt am Beispiel eines Kanalnetzes 1' für die Kühlung eines Raumes die Auf teilung des inneren Wärmetauschers in eine erste Tauscherhälfte 23 und eine zweite Tau scherhälfte 24, mit zwischen ihnen angeordnetem Phasentrenner 21, so dass ein in der ers ten Tauscherhälfte 23 verdampfter Teil des Wärmeträgers durch den Bypasskanal 19 an der zweiten Tauscherhälfte 24 vorbeigeführt wird.

Auf gleiche Weise hat das Kanalnetz 2' für die Raumbeheizung nach dem Wärmepumpen prinzip einen äusseren Wärmetauscher mit einer ersten Tauscherhälfte 25 und einer zweiten Tauscherhälfte 26, zwischen denen ein Phasentrenner 22 angeordnet ist, so dass ein gasför miger Teil des Wärmeträgers über den Bypasskanal 20 an der zweiten Tauscherhälfte 26 vorbeigeführt wird.

Das kombiniertes Kanalnetz 3 nach Fig. 3 ist durch die Strömungsverteiler 10 und 11 zwi schen Betriebsweisen zum Kühlen und Heizen umschaltbar. Aufgrund der dabei erfolgen den Umkehr der Strömungsrichtung des Wärmeträgers durch die Wärmetauscher 6, 7 sind die beiden, jeweils einem der Wärmetauscher 6 und 7 zugeordneten Phasentrenner 16, 17 mit einem Rückschlagventil 27, 27' kombiniert. Somit verhindert das Rückschlagventil 27, 27', dass die in diesem Fall nur für die Kühlung der Gasphase dienenden Wärmetauscher 6 bzw. 7 nicht vollständig vom Wärmeträger durchströmt werden bzw. durch den Bypasska nal 14 bzw. 15 eine Verlustströmung erfolgt.

Der in Fig. 6 als Ausführungsbeispiel detailliert dargestellte Phasentrenner 16 bzw. 17 ver einigt in sich einen als Zyklon 28 ausgeführten Flüssigkeitsabscheider, ein als Lochscheibe 18 ausgeführtes Drosselelement und ein Rückschlagventil 27. Der Zyklon 28 hat eine zy lindrische Kammer 30, in deren oberem Bereich tangential ein Einlasskanal 31 mündet und aus deren unterem Bereich ein Flüssigauslasskanal 29 herausführt. Der Gasauslasskanal 32 führt über einen Innenstutzen 33 zentral nach oben aus der Zyklonkammer 30 heraus. Der Innenstutzen 33 ist in einen oberen, eingeschraubten Verschlusskörper 34 der Zyklon kammer 30 eingesetzt und trägt an seinem abströmseitigen Ende den Ventilsitz 35 des Rückschlagventils 27. An der äusseren Stirnseite 36 des Innenstutzens 33 liegt eine nach innen abgesetzte Käfighülse 37 an, die mit einem seitliche Öffnungen 38 aufweisenden Be reich den kugelförmigen Schliesskörper 39 des Rückschlagventils 27 und eine an ihm an liegende Ventilfeder 40 umschliesst. An ihrer äusseren Stirnseite liegt die das Drosselele ment bildende Lochscheibe 18 an und wird dort mit Presssitz gehalten.

Die Schliesskraft der Ventilfeder 40 ist so ausgewählt, dass das Rückschlagventil 27 durch den in der Zyklonkammer 30 vorhandenen Druck des Kühlmittels geöffnet ist. Dieser ergibt sich durch den im Vergleich zum Bypasskanal 14, 15 bzw. 19, 20 höheren Strömungswider stand im sich dem Phasentrenner 16, 17 anschliessenden Wärmetauscher 6, 7, unter Berück sichtigung des durch das Drosselelement 18 eingestellten Strömungswiderstandes. Bei Be triebsumschaltung des Kanalnetzes 3 der Kreislaufanlage übt das Rückschlagventil seine Schliessfunktion aus und die Zyklonkammer 30 wird von nur gasförmigem Wärmeträger in umgekehrter Richtung, d. h. vom Kanal 29 in Richtung zum Kanal 31 durchströmt.

Als Wärmeträger eignet sich insbesondere CO₂ oder ein Wärmeträgergemisch mit ver gleichbaren physikalischen Eigenschaften, so dass durch Kompression und Expansion aus reichend grosse Temperaturdifferenzen erzielbar sind.

Claims

1. Kreislaufanlage zur Klimatisierung eines Raumes, in deren von einem phasenverän derlichen Wärmeträger durchströmten Kanalnetz (1, 2, 3) mindestens ein innerer und ein äus serer Wärmetauscher (6, 7) und zwischen diesen einerseits ein Kompressor (4) und ander seits mindestens ein Expansionsventil (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass pa rallel zu einem in Strömungsrichtung hinter dem Expansionsventil (5) angeordneten Wär metauscher (6, 7) ein Bypasskanal (14, 15; 19, 20) vorgesehen ist, an dessen Abzweigstelle ein Phasentrenner (16, 17; 21, 22) angeordnet ist, dessen Flüssigauslass (29) zu dem Wär metauscher (6, 7) führt und dessen Gasauslass (32) in den Bypasskanal (14, 15; 19, 20) führt, wobei in dem Gasauslass (32) oder dem Bypasskanal (14, 15; 19, 20) ein Drosselelement (18) vorgesehen ist.

2. Kreislaufanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselelement (18) mit dem Phasentrenner (16, 17; 21, 22) eine bauliche Einheit bildet.

3. Kreislaufanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der in Strö mungsrichtung hinter dem Expansionsventil (5) angeordnete Wärmetauscher (6, 7) mehrstu fig ausgeführt ist, wobei zwischen den Wärmetauscherstufen (23, 24; 25, 26) ein Phasentren ner (21, 22) und parallel zu ihnen jeweils ein Bypasskanal (19, 20) vorgesehen ist.

4. Kreislaufanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, zum Heizen und Kühlen eines Raumes, mit einem ersten und zweiten, einen Kompressor (4), mindestens einen inneren und äusseren Wärmetauscher (6, 7) und mindestens ein Expansionsventil (5) gemeinsam aufweisenden Teil (1, 2) eines Kanalnetzes (3), wobei zur wahlweisen Aktivierung eines von zwei dem Heizen oder Kühlen des Raumes dienenden Betriebskreisläufen in jeweils einem der beiden Teile (1, 2) des Kanalnetzes (3), mindestens ein umschaltbarer Strö mungsverteiler (10, 11) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bypasskanal (14, 15; 19, 20) ein Rückschlagventil (27, 27') vorgesehen ist.

5. Kreislaufanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagven til (27, 27') mit dem Phasentrenner (16, 17; 21, 22) eine bauliche Einheit bildet.

6. Kreislaufanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasentrenner (16, 17; 21, 22) einen als Zyklon ausgeführten Flüssigkeitsabscheider (28) aufweist.

7. Phasentrenner für eine Kreislaufanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekenn zeichnet durch eine zylindrischen Zyklonkammer (30), in deren oberem Bereich tangential ein Einlasskanal (31) mündet, einen Flüssigauslasskanal (29) im unteren Bereich der Zyk lonkammer (30) und einen zentral nach oben aus der Zyklonkammer (30) herausführenden Gasauslasskanal (32), in dem ein Drosselelement (18) angeordnet ist.

8. Phasentrenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselelement als Lochscheibe (18) ausgeführt ist.

9. Phasentrenner nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gasaus lasskanal (32) ein Rückschlagventil (27) angeordnet ist.