DE10159892B4

DE10159892B4 - Kältemaschine mit einem Rekuperator

Info

Publication number: DE10159892B4
Application number: DE10159892A
Authority: DE
Inventors: Kai Dr. Schiefelbein; Michael Schaumlöffel; Christian Pindur; Steffen Smollich
Original assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Current assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Priority date: 2001-12-06
Filing date: 2001-12-06
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2021-12-07
Also published as: DE10159892A1; CH696083A5

Abstract

Kältemaschine, insbesondere Wärmepumpe, mit einem Verflüssiger (11), einem Expansionsventil (13), einem Verdampfer (14) und einem Verdichter (10) sowie mit einem Rekuperator (12), der Wärmeenergie vom flüssigen Kältemittel auf das nach dem Verdampfer (14) gasförmige Kältemittel überträgt,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Rekuperator (12) derart dimensioniert ist, dass er bei einer niedrigen Verdampfungstemperatur (≤ –15°C) wenigstens 15% der Heizleistung (q_c) der Wärmepumpe vom flüssigen Kältemittel auf das gasförmige Kältemittel überträgt,
und dass ein Einspritzventil (15) in den Verdichter (10) Kältemittel flüssig oder als Nassdampf derart einspritzt, dass die Verdichtungsendtemperatur zwischen 85 und 120°C bleibt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kältemaschine, insbesondere Wärmepumpe, mit einem Verflüssiger, einem Expansionsventil, einem Verdampfer, einem Verdichter sowie mit einem Rekuperator, der Wärmeenergie vom flüssigen Kältemittel auf das nach dem Verdampfer gasförmige Kältemittel überträgt.
Luft/Wasser-Wärmepumpen haben ein Leistungsminimum bei niedrigen Außenlufttemperaturen, z.B. –15°C, also dann, wenn der Heizwärmebedarf des zu beheizenden Gebäudes hoch ist. Um diese unvorteilhafte Charakteristik zu ändern, wurden verschiedene Möglichkeiten der Leistungsregelung vorgeschlagen. Diese haben zum Ziel, die Heizleistung der Luft/Wasser-Wärmepumpe bei tiefen Außenlufttemperaturen zu erhöhen. Solche Maßnahmen sind in der Literaturstelle Schiefelbein, KI Luft- und Kältetechnik 9/2000, S. 418 bis 423 beschrieben. Diese Maßnahmen sind baulich aufwendig.

In der DE 40 01 525 C2 ist eine Wärmepumpe beschrieben, die mit einem Rekuperator (innerer Wärmetauscher) arbeitet. Es soll die Leistungsziffer der Wärmepumpe, nicht jedoch deren Heizleistung bei niedrigen Außenlufttemperaturen erhöht werden. Rekuperatoren werden eingesetzt, um eine ausreichende Überhitzung des Sauggases zum Schutz des Verdichters zu gewährleisten. Die Steigerung der Heizleistung ist nicht das Ziel beim Einsatz eines Rekuperators. Die Erhöhung der Heizleistung oder der Kälteleistung mittels eines Rekuperators bei tiefen Außenlufttemperaturen, d.h. tiefen Verdampfungstemperaturen, würde zu unzulässig hohen Heißgastemperaturen führen. Die zulässige Heizgastemperatur bei der tiefsten Verdampfungstemperatur legt die maximal zulässige Größe bzw. Wärmeübertragungsleistung des Rekuperators fest. Bei Luft/Wasser-Wärmepumpen liegt die Wärmeübertragungsleistung des Rekuperators bei etwa 5 % der Heizleistung.

Aus der DE 42 06 926 C2 ist eine Kältemaschine bekannt, bei der zur Begrenzung der Heißgastemperatur Kältemittel in den Verdichter eingespritzt wird. Ein Rekuperator ist dort nicht vorgesehen. Ein weiteres Verfahren zur Begrenzung der Heißgastemperatur ist aus der DE 43 03 533 A1 bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kältemaschine anzugeben, deren Leistung bei tiefen Verdampfungstemperaturen mit baulich einfachen Mitteln erhöht ist.

Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die Kombination des inneren Wärmetausches mit der Kältemittelnacheinspritzung ist eine Erhöhung der Heizleistung bei niedrigen Verdampfungstemperaturen bzw. Außentemperaturen erreicht. Der hierfür nötige Aufwand ist geringer als bei den im Stand der Technik beschriebenen Maßnahmen zur Erreichung des gleichen Ziels.

Die Einspritzung von Kältemittel erlaubt es, den Rekuperator so groß, d.h. deutlich größer als beim Stand der Technik, auszulegen, dass er wenigstens 15 % der Heizleistung überträgt, was ohne die Kältemitteleinspritzung zu einer unzulässig hohen Verdichtungsendtemperatur führen würde.

Die beschriebenen Maßnahmen sind vor allem bei einer Luft/Wasser-Wärmepumpe für die gewünschte Leistungscharakteristik vorteilhaft, denn die Steigerung der Heizleistung nimmt mit abnehmender Außenlufttemperatur und steigender Kondensationstemperatur, d.h. Vorlauftemperatur des vom Verflüssiger beheizten Wassers, zu. Dies liegt daran, dass die Temperaturdifferenz zwischen der unterkühlten Flüssigkeit und dem Sauggas im Rekuperator, die dem zu übertragenden Wärmestrom proportional ist, zunimmt.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass mit serienmäßig verfügbaren Verdichtern mit Flüssigkeitsnacheinspritzung bzw. Naßdampf gearbeitet werden kann. Es können Scroll-Verdichter, wie sie beispielsweise aus der DE 693 26 942 T2 bekannt sind, einstufige oder zweistufige Hubkolben-Verdichter oder Rollkolben-Verdichter verwendet werden.

Die beschriebenen Maßnahmen lassen sich auch bei Luft/Luft-Wasserpumpen, Sole/Wasser-Wärmepumpen und Wasser/Wasser-Wärmepumpen einsetzen. Sie lassen sich auch bei Kühlaggregaten verwenden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den Unteransprüchen. In der Zeichnung zeigen:
1 einen Wärmepumpenkreis,
2 ein Enthalpie-Diagramm und
3 eine prinzipielle Darstellung der Temperaturabhängigkeit des Wärmebedarfs und der Wärmelieferung.
Der Wärmepumpenkreis weist einen Verdichter 10, einen Verflüssiger 11, einen Rekuperator 12, ein Expansionsventil 13 und einen Verdampfer 14 auf. Dem Verdichter 10 ist ein Einspritzventil 15 zugeordnet, das von einem Temperaturfühler 16 gesteuert ist, der die Temperatur an der Heißgasseite des Verdichters 10 erfasst. Der Verdichter 10, das Einspritzventil 15 und der Temperaturfühler 16 können in einem Gerät, beispielsweise einem Scroll-Verdichter, integriert sein. Das Einspritzventil 15 ist mit einer zwischen dem Rekuperatur 12 und dem Expansionsventil 13 liegenden Verzweigung 18 verbunden.
An den Verflüssiger 11 ist ein Wasser-Heizungskreis 17 angeschlossen. Dem Verdampfer 14 wird Wärmeenergie aus Luft zugeführt.
Das Expansionsventil 13 ist vorzugsweise ein elektronisch gesteuertes Expansionsventil mit weitem Regelbereich. Es ist von einem Temperaturfühler 19 gesteuert, der die Sauggastemperatur vor dem Rekuperator 12 oder im Rekuperator 12 erfasst.
Flüssiges Kältemittel fließt vom Verflüssigen 11 durch den Rekuperator 12 zum Expansionsventil 13 und von der Verzweigung 18 zum Einspritzventil 15. Verdampftes Kältemittel (Sauggas) strömt vom Verdampfer 14 durch den Rekuperator 12 zum Verdichter 10. In den Verdichter 10 wird über das Einspritzventil 15 zur Begrenzung der Verdichtungsendtemperatur auf einen Wert zwischen 85 und 120°C flüssiges Kältemittel oder Naßdampf eingespritzt. Aus dem Verdichter 10 wird Heißgas zum Verflüssiger 11 gefördert.
Am Wärmepumpenkreis der 1 sind charakteristische Stellen mit den Ziffern 1 bis 9 bezeichnet, die sich in dem Enthalpiediagramm der Figur an entsprechenden Punkten wiederfinden.
Im Rekuperator 12 wird Wärmeenergie vom flüssigen Kältemittel auf das Sauggas beim Kondensationsdruck p_c übertragen. Dadurch wird das Kältemittel unterkühlt, die Enthalpie sinkt von 2 nach 3 (vgl. 2). Mittels des Expansionsventils 13 wird der Kondensationsdruck p_c (Stelle 3) auf den Verdampfungsdruck p₀ (Stelle 5) gesenkt. Im Verdampfer 14 wird dann die Enthalpie h von 5 nach 6 erhöht. Entsprechend der Überhitzung des flüssigen Kältemittels (2 nach 3) wird das Sauggas beim Verdampfungsdruck p₀ im Rekuperator 12 überhitzt; die Enthalpie h steigt von 6 nach 7.
Anschließend wird im Verdichter 10 der Druck von p₀ auf p_c, d.h. von 7 nach 1 erhöht, wobei die Enthalpie h und entsprechend die Temperatur ansteigen. Der Temperaturanstieg wird dadurch auf ein verträgliches Maß begrenzt, dass in den Verdichter 10 flüssiges Kältemittel oder Naßdampf bei einem Druck p_v eingespritzt wird. Der Druck p_v liegt zwischen p₀ und p_c. Der Druckabfall von 3 nach 4 wird durch das Einspritzventil 15 erreicht.
Durch die Einspritzung von flüssigem Kältemittel sinkt die Enthalpie h von 8 nach 9. Von 1 nach 2 nimmt der Verflüssigen 11 die Heizleistung q_c vom Kältemittel auf. Die Enthalpie h des Kältemittels sinkt dementsprechend.
Der Rekuperator 12 ist so bemessen, dass er bei einer niedrigen Außentemperatur, d.h. einer Temperatur unter 0°C, z.B. –15°C, wenigstens 15%, höchstens bis 50%, der Heizleistung q_c vom flüssigen Kältemittel (2 nach 3) auf das Sauggas (6 nach 7) überträgt. Damit ist die auf den Heizungskreis 17 wirkende Heizleistung bei niedrigen Außentemperaturen entsprechend erhöht. Um im Rekuperator 12 die vergleichsweise hohe Wärmeübertragungsleistung zu erreichen, ist er vorzugsweise ein Gegenstromwärmetauscher und hat gasseitig eine größere Wärmeübertragungsfläche als flüssigkeitsseitig.
Bei einem Rechenbeispiel ergibt sich folgendes: Angenommen sei:
Außenlufttemperatur am Verdampfer 14 (Verdampfungstemperatur) = –15°C,
gewünschte Vorlauftemperatur des Heizungskreises = 50°C, spezifische Heizleistung Q_c = 220 kJ/kg,
Druck p₀ 2 bar
p_c 22 bar
Temperatur t₂ des Kältemittels nach dem Verflüssiger 49,7°C, Temperatur t₃ des unterkühlten Kältemittels vor dem Rekuperator 43,2°C,
Temperatur t₇ des unterkühlten Kältemittels nach dem Rekuperator 29,1°C.
Mit der Formel Δh = c_p × Δt, wobei sind:
Δh die Enthalpiedifferenz im Rekuperator (Stellen 2 nach 3, 6 nach 7). c_p ein Faktor, der die Wärmekapazität des Kältemittels in Abhängigkeit von Temperatur und Druck darstellt,
Δt die Temperaturdifferenz des flüssigen Kältemittels vor und nach dem Rekuperator.
Mit
Δt = 14,1 K
ist Δh = 32 kJ/kg.
Die Heizleistungssteigerung in % beträgt Δh/Q_c = 32 kJ/kg/220 kJ/kg. Sie ist danach etwa 15%.
Als Kältemittel eignen sich Kältemittel, die eine hohe Verdichtungsendtemperatur, also einen hohen Isentropenexponenten haben. Solche Kältemittel sind beispielsweise R407C (Rechenbeispiel) und R410A oder auch R717 (Ammoniak) nach der Ashrae-Nomenklatur. Als Kältemittel eignet sich auch H-FKW-Kältemittel oder Kohlenwasserstoffe oder Kohlendioxid.
Im schematischen Leistungs(Q)-Temperatur(T)-Diagramm der 3 zeigt die Linie I die Abhängigkeit des Wärmebedarfs des Heizungskreises 17, der eine Gebäudebeheizung und/oder Brauchwasserbeheizung sein kann, von der Verdampfungstemperatur, insbesondere der Außentemperatur T.
Die Linie II zeigt die Wärmelieferung (Heizleistung) einer Wärmepumpe nach dem Stand der Technik in Abhängigkeit von der Außentemperatur. Die Linie III zeigt die Wärmelieferung (Heizleistung) einer Wärmepumpe mit dem beschriebenen Rekuperator 12 kombiniert mit der beschriebenen Nacheinspritzung von Kältemittel.
Ersichtlich ist bei niedrigen Außentemperaturen unterhalb der Außentemperatur T₀ die Heizleistung nach Linie III höher als die der Linie II. Bei Außentemperaturen über der Außentemperatur T₀ überschreitet die mögliche Heizleistung nach beiden Linien II und III den Wärmebedarf. Nach Linie III ist die Überschreitung geringer als nach Linie II. Dies ist unschädlich und kann sogar die Anpassung der Heizleistung an den Wärmebedarf regelungstechnisch erleichtern.

Claims

Kältemaschine, insbesondere Wärmepumpe, mit einem Verflüssiger (11), einem Expansionsventil (13), einem Verdampfer (14) und einem Verdichter (10) sowie mit einem Rekuperator (12), der Wärmeenergie vom flüssigen Kältemittel auf das nach dem Verdampfer (14) gasförmige Kältemittel überträgt, dadurch gekennzeichnet, dass der Rekuperator (12) derart dimensioniert ist, dass er bei einer niedrigen Verdampfungstemperatur (≤ –15°C) wenigstens 15% der Heizleistung (q_c) der Wärmepumpe vom flüssigen Kältemittel auf das gasförmige Kältemittel überträgt, und dass ein Einspritzventil (15) in den Verdichter (10) Kältemittel flüssig oder als Nassdampf derart einspritzt, dass die Verdichtungsendtemperatur zwischen 85 und 120°C bleibt.
Kältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Expansionsventil (13) von der Sauggastemperatur im oder vor dem Rekuperator (12) gesteuert ist.
Kältemaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Expansionsventil (13) ein elektronisch gesteuertes Expansionsventil ist.
Kältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzventil (15) von der Heißgastemperatur gesteuert ist.
Kältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzventil (15) den Druck (p_c) des flüssigen Kältemittels vermindert und zwar weniger als das Expansionsventil (13), jedoch so weit, dass die Verdichtungsendtemperatur unter 120°C bleibt.
Kältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel R407C oder R410A nach der Ashrae-Nomenklatur oder H-FKW oder ein Kohlenwasserstoff oder Kohlendioxid oder Ammoniak (R717) ist.
Kältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rekuperator (12) ein Gegenstromrekuperator ist.
Kältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rekuperator (12) eine gasseitige Wärmeübertragungsfläche aufweist, die größer ist als seine flüssigkeitsseitige Wärmeübertragungsfläche.
Kältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass niedrige Verdampfungstemperaturen solche unter –10°C sind.