DE102010029874A1

DE102010029874A1 - Kompressions-Wärmepumpe, insbesondere für haushaltsnahe Anwendungen

Info

Publication number: DE102010029874A1
Application number: DE102010029874A
Authority: DE
Inventors: Stefan Holzer
Original assignee: BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH
Current assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Priority date: 2010-06-09
Filing date: 2010-06-09
Publication date: 2011-12-15
Also published as: JP2013528280A; US20130081418A1; RU2012153789A; WO2011154247A3; CN102933923A; EP2580543A2; WO2011154247A2

Abstract

Die Kompressions-Wärmepumpe nach der Erfindung ist insbesondere für haushaltsnahe Anwendungen wie Wärmerückgewinnung aus Abwasser, für Kälte- oder Klimageräte und dergleichen vorgesehen. Sie besteht aus einem Kompressor 1 für ein Kältemittel, einem Kondensator 2 einem Verdampfer 3 sowie einem zwischen Kondensator 2 und Verdampfer 3 angeordneten Expansionsventil 4. Weiter ist ein Schaltventil 5 zur Umschaltung des Strömungswiderstandes des Expansionsventils 4 zwischen zwei festen Strömungswiderstandswerten vorgesehen sowie ein Temperaturfühler, der im Bereich der Einspritzstelle des Kältemittels am Verdampfer 3 angeordnet ist, wobei das Schaltventil 5 unterhalb einer vorgegebenen Temperatur am Temperaturfühler auf geringen und oberhalb dieser Temperatur auf höheren Strömungswiderstand des Expansionsventils 4 umschaltet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kompressions-Wärmepumpe, insbesondere für haushaltsnahe Anwendungen wie Wärmerückgewinnung aus Abwasser, für Kälte- oder Klimageräte und dergleichen, mit einem Kompressor für ein Kältemittel, einem Kondensator, einem Verdampfer sowie einem zwischen Kondensator und Verdampfer angeordneten Expansionsventil.
Um eine optimale Arbeitsweise derartiger Kompressions-Wärmepumpen – insbesondere bei sich ändernden thermischen Lasten – zu erreichen, ist es notwendig, den Verdampfungsdruck bzw. die Verdampfungstemperatur zu regeln. Ist nämlich der Verdampfungsdruck zu niedrig, so ist der Wirkungsgrad ungünstig, während bei einem zu hohen Verdampfungsdruck der Verdichter unnötig stark und damit unter Unständen unzulässig belastet wird, was zu dessen vorzeitigem Ausfall führen kann.
Bei kältetechnischen Großanlagen und Wärmepumpen, insbesondere bei elektrischen Anschlussleistungen, die größer als 500 Watt sind, ist es deswegen üblich, den Verdampfungsdruck bzw. die Verdampfungstemperatur durch ein veränderbares Expansionsventil zu regeln. Diese Regelung kann entweder direkt über den Verdampfungsdruck mittels druckgesteuerter Ventile erfolgen, die keine Elektronik erfordern. Ebenso kann als Regelgröße auch die Temperatur am Verdampfer dienen, wobei dann mittels einer Steuerelektronik aus der Abweichung der aktuellen Temperatur zur Solltemperatur ein Stellsignal für das Expansionsventil erzeugt wird. Das Expansionsventil selbst kann dabei sowohl elektrisch als auch pneumatisch gesteuert sein.
Bei kleinen kältetechnischen Anlagen dagegen wird aus Kostengründen in der Regel ein unveränderbares Expansionsventil eingesetzt, das zum Beispiel aus einem Kapillarrohr bestehen kann. Dadurch lässt sich unter den schon angesprochenen, sich ändernden Bedingungen kein optimaler Wirkungsgrad erreichen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kompressions-Wärmepumpe der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass auf eine kostengünstige Weise eine annähernd konstante Verdampfungstemperatur eingestellt werden kann, so dass einerseits ein guter Wirkungsgrad und andererseits eine lange Lebensdauer insbesondere des Kompressors erreicht wird.
Eine diese Aufgabe lösende Kompressions-Wärmepumpe ist gekennzeichnet durch ein Schaltventil zur Umschaltung des Strömungswiderstands des Expansionsventils zwischen zwei festen Strömungswiderstandswerten sowie einen Temperaturfühler im Bereich der Einspritzstelle des Kältemittels am Verdampfer, wobei das Schaltventil unterhalb einer vorgegebenen Temperatur am Temperaturfühler auf geringen und oberhalb dieser Temperatur auf höheren Strömungswiderstand des Expansionsventils umschaltet.
Der durch die Erfindung erreichte Vorteil besteht im Wesentlichen darin, dass mit einem gegenüber einer unveränderlichen Drossel nur geringfügigem Mehraufwand eine deutliche Erhöhung des Wirkungsgrades auch bei einer Kleinwärmepumpe erreicht wird. Insbesondere lässt sich gegenüber einem veränderbaren Expansionsventil hierdurch ein geringerer Bauraum erreichen. Durch die einfache Umschaltung zwischen zwei unterschiedlichen Strömungswiderständen können im Übrigen handelsübliche und damit preisgünstige Kälte-Komponenten Verwendung finden.
In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung ist das Expansionsventil von zwei Drosseln mit festem Strömungswiderstand gebildet, die über das Schaltventil ausgewählt werden.
Im Einzelnen ergeben sich dabei unterschiedliche Ausgestaltungsmöglichkeiten; bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der das Schaltventil als Umschaltventil ausgebildet ist und zwischen zwei Drosseln mit unterschiedlichem Strömungswiderstand umschaltet.
Es ist jedoch ebenso möglich, dass die beiden Drosseln parallel zueinander geschaltet sind, wobei das Schaltventil als Einschaltventil ausgebildet und im Strömungszweig der einen Drossel angeordnet ist. Bei dieser Betriebsweise bleibt die eine Drossel stets vom Kältemittel durchströmt; bedarfsweise wird die zweite Drossel über das Schaltventil zusätzlich parallel geschaltet, wodurch der Strömungswiderstand verringert wird.
Es besteht hier jedoch auch die Möglichkeit, die beiden Drosseln hintereinander zu schalten, wobei das Schaltventil als Einschaltventil ausgebildet und als Bypass parallel zu einer der beiden Drosseln angeordnet ist. Ist das Schaltventil hier geschlossen, sind beide Drosseln aktiv, wodurch sich ein höherer Strömungswiderstand einstellt als bei geöffnetem, die eine der beiden Drosseln kurzschaltendem Einschaltventil.
Im Übrigen ist zur Erfassung und Auswertung der Temperatur sowie zur Betätigung des Schaltventils eine Steuerelektronik vorgesehen. Diese elektronische Steuerung erlaubt damit auch die Anpassung der Soll-Verdampfungstemperatur an andere Betriebsparameter; so kann zum Beispiel die Verdampfungstemperatur in Abhängigkeit von der Temperatur im Verflüssiger angepasst werden.
Im Folgenden wird die Erfindung an einem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert; es zeigen:
1 die Abhängigkeit der Verdampfungstemperatur von der Betriebsdauer der Wärmepumpe,
2 eine der 1 entsprechende Darstellung, jedoch bei einer Betriebsweise gemäß der Erfindung,
3 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Aufbaus.
Die in der Zeichnung in 3 dargestellte Kompressions-Wärmepumpe ist insbesondere für haushaltsnahe Anwendungen vorgesehen, also beispielsweise für die Wärmerückgewinnung aus Abwasser, für Kälte- oder Klimageräte und dergleichen.
Diese Kompressions-Wärmepumpe besteht – wie üblich – zunächst aus einem Kompressor 1 für ein innerhalb des Kühlkreislaufs umzupumpendes Kältemittel, ferner aus einem Wärme abgebenden Kondensator 2, weiter einem Wärme aufnehmenden Verdampfer 3 sowie einem zwischen Kondensator 2 und Verdampfer 3 angeordneten Expansionsventil 4.
Bei kleinen kältetechnischen Anlagen wie Haushaltskältegeräten oder Kompaktklimaanlagen wird für das Expansionsventil 4 aus Kostengründen meist ein unveränderbares Drosselorgan eingesetzt, das zum Beispiel von einem Kapillarrohr gebildet sein kann. Aufgrund der sich ändernden thermischen Lasten, die auf eine solche Wärmepumpe einwirken, ändert sich jedoch der Verdampfungsdruck bzw. die damit verknüpfte Verdampfungstemperatur während des Betriebs. Dies ist beispielhaft in 1 dargestellt, wo zunächst die Verdampfungstemperatur vergleichsweise niedrig liegt, dann jedoch mit weiterer Betriebsdauer ansteigt und schließlich die für einen effizienten Betrieb optimale Verdampfungstemperatur erreicht. Im weiteren Betrieb steigt jedoch die Verdampfungstemperatur weiter an, was zu einer erhöhten Belastung des Kompressors 1 führt.
Bei kältetechnischen Großanlagen ist es daher üblich, den Verdampfungsdruck bzw. die Verdampfungstemperatur über ein veränderbares Expansionsventil 4 zu regeln, was jedoch im Hinblick auf den Aufwand und die Kosten bei kleintechnischen Anlagen nicht erfolgt.
Im Rahmen der Erfindung wird daher eine Zweipunkt-Regelung durch ein Schaltventil 5 vorgeschlagen, das zur Umschaltung des Strömungswiderstandes des Expansionsventils 4 zwischen zwei festen Strömungswiderstandswerten dient. Des Weiteren ist im Bereich der Einspritzstelle des Kältemittels am Verdampfer 3 ein nicht näher dargestellter Temperaturfühler vorgesehen, mit dessen Hilfe das Schaltventil 5 unter einer vorgegebenen Temperatur am Temperaturfühler auf geringen und oberhalb dieser Temperatur auf einen höheren Strömungswiderstand des Expansionsventils 4 umschaltet. Dadurch kann über die Betriebsdauer gesehen ein Temperaturverlauf erreicht werden, wie dieser in 2 dargestellt ist.
Im Einzelnen ist das Expansionsventil 4 in nicht näher dargestellter Weise von zwei Drosseln mit festem Strömungswiderstand gebildet, die über das Schaltventil 5 angewählt werden. Hierbei ist das Schaltventil 5 als Umschaltventil ausgebildet und schaltet zwischen zwei Drosseln mit unterschiedlichem Strömungswiderstand um. Bei dieser Ausführungsform bestimmt die eine der beiden Drosseln den höheren und die andere der beiden Drosseln den niedrigeren Strömungswiderstand.
Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, beide Drosseln parallel zueinander zu schalten, wobei das Schaltventil 5 als Einschaltventil ausgebildet ist und im Strömungszweig der einen Drossel angeordnet ist. Hier wird der geringere Strömungswiderstand dann erreicht, wenn beide Drosseln durchströmt werden.
In entsprechender Weise können beide Drosseln auch hintereinander geschaltet werden, wobei dann das Schaltventil 5 ebenfalls als Einschaltventil ausgebildet und als Bypass parallel zu einer der beiden Drosseln angeordnet ist.
Zur Erfassung und Auswertung der Temperatur ist eine nicht näher dargestellte Steuerelektronik vorgesehen, die darüber hinaus auch noch weitere Betriebsparameter, also zum Beispiel die Anpassung der Verdampfungstemperatur in Abhängigkeit von der Temperatur im Verflüssiger, erlaubt.
Damit ist auch bei Wärmepumpen für kleine kältetechnische Anlagen ein von den Belastungsbedingungen weitgehend unabhängiger, effizienter Betrieb möglich, ohne hierfür aufwendige, veränderbare Expansionsventile einsetzen zu müssen.

Claims

Kompressions-Wärmepumpe, insbesondere für haushaltsnahe Anwendungen wie Wärmerückgewinnung aus Abwasser, für Kälte- oder Klimageräte und dergleichen, mit einem Kompressor (1) für ein Kältemittel, einem Kondensator (2), einem Verdampfer (3) sowie einem zwischen Kondensator (2) und Verdampfer (3) angeordneten Expansionsventil (4), gekennzeichnet durch ein Schaltventil (5) zur Umschaltung des Strömungswiderstandes des Expansionsventils (4) zwischen zwei festen Strömungswiderstandswerten sowie einen Temperaturfühler im Bereich der Einspritzstelle des Kältemittels am Verdampfer (3), wobei das Schaltventil (5) unterhalb einer vorgegebenen Temperatur am Temperaturfühler auf geringen und oberhalb dieser Temperatur auf höheren Strömungswiderstand des Expansionsventils (4) umschaltet.
Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Expansionsventil (4) von zwei Drosseln mit festem Strömungswiderstand gebildet ist, die über das Schaltventil (5) angewählt werden.
Wärmepumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltventil (5) als Umschaltventil ausgebildet ist und zwischen zwei Drosseln mit unterschiedlichem Strömungswiderstand umschaltet.
Wärmepumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Drosseln parallel zueinander geschaltet sind, wobei das Schaltventil (5) als Einschaltventil ausgebildet und im Strömungszweig der einen Drossel angeordnet ist.
Wärmepumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Drosseln hintereinander geschaltet sind, wobei das Schaltventil (5) als Einschaltventil ausgebildet und als Bypass parallel zu einer der beiden Drosseln angeordnet ist.
Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung und Auswertung der Temperatur sowie zur Betätigung des Schaltventils (5) eine Steuerelektronik vorgesehen ist.