DE102009004971A1

DE102009004971A1 - Heizvorrichtung

Info

Publication number: DE102009004971A1
Application number: DE102009004971A
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr. Hafner
Original assignee: Viessmann Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Viessmann Werke GmbH and Co KG
Priority date: 2009-01-14
Filing date: 2009-01-14
Publication date: 2010-04-22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung, umfassend einen Wärmepumpenkreislauf (1) und einen Warmwasserspeicher (2), wobei zur Wärmeeinbringung in den Warmwasserspeicher (2) ein Wärmeübertrager (3) vorgesehen ist. Nach der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wärmeübertrager (3) als mit dem Wärmepumpenkreislauf (1) verbundenes Wärmerohr ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine Heizvorrichtung der eingangs genannten Art ist nach der DE 10 2005 11 709 A1 bekannt. Diese besteht aus einem Wärmepumpenkreislauf und einem Warmwasserspeicher, wobei zur Wärmeeinbringung in den Warmwasserspeicher zwei Wärmeübertrager vorgesehen sind. Einer der Wärmeübertrager wird dabei durch einen Kondensator des Wärmepumpenkreislaufs und der andere durch ein elektrisch beheizbares Element gebildet. Dieser Lösung liegt dabei die Aufgabe zugrunde, eine Wärmepumpe zu bilden, welche weniger Zeit benötigt, um in den Speicher nachfliessendes kaltes Wasser zu erwärmen bzw. die für den Komfort oder hygienischen Ansprüche nötigen hohen Temperaturen zu erreichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Heizvorrichtung der eingangs genannten Art zu verbessern.
Diese Aufgabe ist mit einer Heizvorrichtung der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
Nach der Erfindung ist also vorgesehen, dass der Wärmeübertrager als mit dem Wärmepumpenkreislauf verbundenes Wärmerohr, vorzugsweise eine Heat-Pipe, ausgebildet ist.
Ein solches Wärmerohr (siehe hierzu auch Wikipedia, Stichwort: ”Wärmerohr”) enthält grundsätzlich ein hermetisch gekapseltes Volumen, meist in Form eines Rohres. Es ist mit einem Arbeitsmedium (Kältemittel) befüllt, das das Volumen zu einem kleinen Teil in flüssigem, zum größeren in dampfförmigem Zustand ausfüllt. Darin befinden sich je eine Wärmeübertragungsfläche für die Wärmequelle und die Wärmesenke. Bei Wärmeeintrag beginnt das Arbeitsmedium zu verdampfen. Dadurch wird über dem Flüssigkeitsspiegel der Druck im Dampfraum erhöht, was zu einem geringen Druckgefälle innerhalb des Wärmerohrs führt. Der entstandene Dampf strömt in Richtung Verflüssiger, wo er wegen der niedrigeren Temperatur (Wärmesenke) kondensiert. Dabei wird die zuvor aufgenommene latente Wärme wieder abgegeben. Das nun flüssige Arbeitsmedium kehrt durch Schwerkraft (Thermosyphon) bzw. durch Kapillarkraft (Heat-Pipe) wieder zum Verdampfer zurück.
Betrachtet man die Heat-Pipe-Konstruktion genauer, so wird bei dieser die Flüssigkeit mit einer Kapillare nach dem Dochtprinzip zum Verdampfer zurückgeführt. Das kondensierte Fluid fließt daher lageunabhängig in der Kapillare zurück zum Verdampfer. Heat-Pipes arbeiten daher auch unter Schwerelosigkeit. Sie neigen im Vergleich zu Thermosyphonen kaum zum Austrocken, da der Flüssigkeitsstrom durch die Dochtstruktur maßgeblich verbessert wird, was zu einer höheren übertragbaren Leistung führt. Der Docht sorgt außerdem dafür, dass die Wärme überall und über eine beliebige Höhe zugeführt werden kann.
Die erfindungsgemäße Heizvorrichtung funktioniert, zunächst oberflächlich betrachtet, wie folgt: Das Wärmerohr ist thermisch verdampferseitig mit dem Wärmepumpenkreislauf und kondensatorseitig mit dem Warmwasserspeicher verbunden. Auf diese Weise kann Wärme aus dem Wärmepumpenkreislauf ausgekoppelt und dem Warmwasserspeicher zugeführt werden. Aufgrund der vorbeschriebenen Funktionsweise des Wärmerohrs kann dabei vorteil hafter Weise auf eine zusätzliche Pumpe verzichtet werden. Außerdem ist durch die Verwendung des Wärmerohrs bzw. der Heat-Pipe gewährleistet, dass ein Leck im Wärmepumpenkreislauf nicht zu einer Kontamination des Warmwasserspeichers mit Wärmepumpenkreislaufmedium führt; auf einen doppelwandigen Sicherheitswärmeübertrager bei der Heißgas-Nutzung oder Kondensatunterkühlung kann verzichtet werden. Schließlich ist aufgrund des Funktionsprinzips des Wärmerohrs bei entsprechender Wahl des Arbeitsmedium eine ohne weitere Regelung auskommende Betriebsweise und Temperaturbegrenzung möglich.
Durch die Auskopplung von thermischer Energie aus dem Heißgas kann das Warmwasser während der Beheizung eines Gebäudes oder während der Warmwasserbereitung auf eine über der aktuellen Kondensationstemperatur liegende Temperatur beheizt werden, insbesondere auch auf eine über der durch die Wärmepumpenkonstruktion vorgegebenen maximalen Kondensationstemperatur.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Die erfindungsgemäße Heizvorrichtung einschließlich ihrer vorteilhaften Weiterbildungen gemäß der abhängigen Patentansprüche wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigt
1 schematisch die erfindungsgemäße Heizvorrichtung mit Wärmepumpenkreislauf und Warmwasserspeicher; und
2 ein Druck-Enthalpie-Diagramm zur Erläuterung des Kreislaufprozesses.
Die in 1 dargestellte Heizvorrichtung besteht aus einem Wärmepumpenkreislauf 1 und einem Warmwasserspeicher 2, wobei zur Wärmeeinbringung in den Warmwasserspeicher 2 ein noch genauer zu betrachtender Wärmeübertrager 3 vorgesehen ist. Weiterhin weist der als Kompressionswärmepumpe ausgebildet Wärmepumpenkreislauf 1 in an sich bekannter Weise einen Verdichter 6 und einen Kondensator 7 auf.
Aus der DE 10 2005 011 709 A1 ist es bekannt, den Kondensator 7 des Wärmepumpenkreislaufs direkt in den Warmwasserspeicher 2 einzubinden, was allerdings zwingend erfordert, dass der Kondensator 7 als Sicherheitswärmetauscher ausgebildet ist, da Kreislaufmedium der Wärmepumpe auf keine Fall in den Warmwasserspeicher 2 gelangen darf.
Bei der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung könnte in Ergänzung zum oben genannten Wärmeübertrager 3 zur Kondensatunterkühlung ebenfalls ein solcher Kondensator oder ein zwischen dem Kondensator 7 und der Drossel 8 angeordneter Wärmetauscher vorgesehen sein, der seinerseits thermisch mit dem Warmwasserspeicher 2 durch ein Wärmerohr oder auf eine andere Art verbunden ist. Dies ist in 1 aber nicht extra dargestellt.
Wesentlich für die erfindungsgemäße Heizvorrichtung ist nun, dass der Wärmeübertrager 3 als mit dem Wärmepumpenkreislauf 1 verbundenes Wärmerohr, vorzugsweise, wie dargestellt, als wahlweise mit Wasser oder Alkohol betreibbare Heat-Pipe, ausgebildet ist. Dies führt, wie schon erläutert, insbesondere zu einer trinkwassersicheren Trennung des Wärmepumpenkreislaufs 1 vom Warmwasserspeicher 2, wobei die Energie aus dem Heißgas des Wärmepumpenkreislaufs 1 genutzt wird, um das Wasser im Warmwasserspeicher 2 zu erwärmen bzw. auf eine über der Kondensationstemperatur liegende Temperatur zu bringen.
In an sich bekannter Weise weist dabei das Wärmerohr einen Verdampfer 4 und einen Kondensator 5 auf. Bezüglich der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung ist vorgesehen, dass der Verdampfer 4 mit dem Wärmepumpenkreislauf 1 und der Kondensator 5 mit dem Warmwasserspeicher 2 thermisch verbunden ist. Noch etwas genauer betrachtet ist vorgesehen, dass der Verdampfer 4 des Wärmerohrs zwischen dem Verdichter 6 und dem Kondensator 7 am Wärmepumpenkreislauf 1 angeordnet ist.
Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass der Verdampfer 4 des Wärmerohrs zwischen dem Kondensator 7 und der Drossel 8 mit dem Wärmepumpenkreislauf 1 thermisch verbunden ist. Durch die Auskopplung von thermischer Energie in das Warmwasser nach dem Kondensator 7 kann beispielsweise nachströmendes Kaltwasser während der Beheizung eines Gebäudes kostenfrei vorgewärmt werden.
Unter Einbeziehung der 2 wird nachfolgend die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung ausführlich erläutert:
Ausgangspunkt der Betrachtung ist Punkt A. Das Kältemittel des Wärmepumpenkreislaufs 1 liegt gerade verdampft vor und hat Verdampferdruck. Auf dem Weg nach Punkt B wird sein Druck p mittels des Verdichters 6 erhöht, wobei sich gleichzeitig entsprechend auch die Temperatur erhöht (zum Beispiel auf etwa 80°C). Zwischen dem Verdichter 6 und dem Kondensator 7 ist, wie erläutert, der Verdampfer 4 des Wärmerohrs angeordnet, mit dem Wärme aus dem Heißgas (sprich überhitztes, gasförmiges Kältemittel) abführbar ist, was im Diagramm gemäß 2 zu einer entsprechenden Verschiebung des Punktes B nach links auf B' führt. Die aus dem Heißgas entnommene Wärme wird mit Hilfe des Wärmerohrs über dessen Kondensator 5 an den Warmwasserspeicher 2 abgegeben. Der Warmwasserspeicher 2 weist in bekannter Weise an seinem unteren Ende einen Kaltwasser- 10 und an seinem oberen Ende einen Warmwasseranschluss 11 auf. Auf dem Weg von Punkt B nach Punkt C gibt das Kältemittel bei konstantem Druck p Wärme über den Kondensator 7 ab und verflüssigt sich dabei; weiterhin verringert sich dabei entsprechend die Enthalpie h des Kältemittels. Der Kondensator 7 weist einen Zufuhr- 12 und einen Abfuhranschluss 13 auf, wobei am Zufuhranschluss 12 beispielsweise eine Temperatur von 30°C und am Abfuhranschluss 13 eine Temperatur von 35°C für ein Heizsystem vorliegt. Auf dem Weg von C nach D wird das Kältemittel über eine Drossel 8 bei konstanter Enthalpie h entspannt und liegt dann flüssig oder als Flüssig-Gas-Gemisch und bei niedrigem Druck p am Verdampfer 9 an, wo es dann von D nach A verdampft wird.

1: Wärmepumpenkreislauf
2: Warmwasserspeicher
3: Wärmeübertrager
4: Verdampfer (des Wärmerohrs)
5: Kondensator (des Wärmerohrs)
6: Verdichter
7: Kondensator
8: Drossel
9: Verdampfer
10: Kaltwasseranschluss
11: Warmwasseranschluss
12: Zufuhranschluss
13: Abfuhranschluss

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10200511709 A1 [0002]
- DE 102005011709 A1 [0016]

Claims

Heizvorrichtung, umfassend einen Wärmepumpenkreislauf (1) und einen Warmwasserspeicher (2), wobei zur Wärmeeinbringung in den Warmwasserspeicher (2) ein Wärmeübertrager (3) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (3) als mit dem Wärmepumpenkreislauf (1) verbundenes Wärmerohr ausgebildet ist.
Heizvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Wärmerohr einen Verdampfer (4) und einen Kondensator (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (4) mit dem Wärmepumpenkreislauf (1) und der Kondensator (5) mit dem Warmwasserspeicher (2) thermisch verbunden ist.
Heizvorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Wärmepumpenkreislauf (1) mindestens einen Verdichter (6) und einen Kondensator (7) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (4) des Wärmerohrs zwischen dem Verdichter (6) und dem Kondensator (7) mit dem Wärmepumpenkreislauf (1) thermisch verbunden ist.
Heizvorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Wärmepumpenkreislauf (1) mindestens einen Kondensator (7) und eine Drossel (8) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (4) des Wärmerohrs zwischen dem Kondensator (7) und der Drossel (8) mit dem Wärmepumpenkreislauf (1) thermisch verbunden ist.
Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohr eine Heat-Pipe ist.
Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohr mit wahlweise Wasser oder Alkohol betreibbar ausgebildet ist.
Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmepumpenkreislauf (1) einen thermisch mit dem Warmwasserspeicher (2) verbundenen Kondensator bzw. Kondensatunterkühler aufweist.