DE102010049134A1

DE102010049134A1 - Kälte- oder Wärmepumpenanlage sowie Verfahren zum Betrieb einer solchen Anlage

Info

Publication number: DE102010049134A1
Application number: DE102010049134A
Authority: DE
Inventors: Ralf Dipl.-Ing. 95326 Träger
Original assignee: Glen Dimplex Deutschland GmbH
Current assignee: Glen Dimplex Deutschland GmbH
Priority date: 2009-10-22
Filing date: 2010-10-22
Publication date: 2011-08-25

Abstract

Die Kälte- oder Wärmepumpenanlage umfasst einen Kältemittelkreislauf, enthaltend einen ersten Wärmetauscher (20) sowie einen zweiten Wärmetauscher (4) sowie einen am ersten Wärmetauscher angeschlossenen ersten Medium-Kreislauf (6) und einen am zweiten Wärmetauscher (4) angeschlossenen zweiten Medium-Kreislauf (10). In einem Betriebsmodus „freie Wärmeübertragung” ist ein direkter Wärmetausch zwischen den beiden Medien ohne Zwischenschaltung des Kältemittels des Kältemittelkreislaufs ermöglicht. Hierzu ist der erste Wärmetauscher (20) des Kältemittelkreislaufs für einen direkten Wärmetausch zwischen den beiden Medien-Kreisläufen (6, 10) ausgebildet ist. Dadurch ist insbesondere der Installationsaufwand gering gehalten bei gleichzeitig effektiver Energieausnutzung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kälte- oder Wärmepumpenanlage sowie ein Verfahren zum Antrieb einer solchen Anlage.
Kälte- oder Wärmepumpenanlagen weisen allgemein einen Kältemittelkreislauf auf, in dem in einem Kreisprozess ein Kältemittel geführt wird. Der Kältemittelkreislauf weist als typische Hauptkomponenten einen Verdichter, einen Verflüssiger, ein Expansions- oder Drosselventil sowie einen Verdampfer auf. Der Kältemittelkreislauf dient allgemein dazu, um von einer verdampferseitigen Wärmequelle Wärme zu einer verflüssigerseitigen Wärmesenke zu übermitteln. Je nach Auslegung und Anforderung kann dies zum Kühlen (Kälteanlage) oder zum Heizen (typischerweise als Wärmepumpenanlage bezeichnet) eingesetzt werden.
Sowohl der Verdampfer als auch der Verflüssiger bilden Wärmetauscher, an die jeweils ein Medium-Kreislauf angeschlossen sein kann. Das im Medium-Kreislauf geführte Medium ist beispielsweise Wasser oder Sole und kann – je nach Anwendung – sowohl als Kühlmedium als auch als Heizmedium eingesetzt werden. Zum Umwälzen der Medien in den Medien-Kreisläufen ist in jedem der Medien-Kreisläufe eine Umwälzpumpe vorgesehen.
Bei derartigen Anlagen ist oftmals ein Betriebsmodus „freie Wärmeübertragung” vorgesehen, während dessen ein unmittelbarer Wärmetausch zwischen den beiden Medien-Kreisläufen erfolgt. Insbesondere bei Kälteanlagen ist dieser Betriebsmodus als „freie Kühlung” bekannt, der temperaturabhängig aktiviert wird, wenn die Umgebungs- oder Außentemperatur kälter als die Temperatur im zu kühlenden Raum ist. Das Prinzip der „freien Kühlung” ist prinzipiell auch bei einer Wärmepumpenanlage möglich, bei der dann entsprechend bei einem „freien Heizmodus” Wärme direkt aus der Umgebung in den zu beheizenden Raum übertragen wird.
Dieser Betriebsmodus „freie Wärmeübertragung” ist mit einem zusätzlichen Aufwand verbunden, der zu Mehrkosten durch zusätzliche erforderliche Ventile, Verrohrung, gegebenenfalls einem zusätzlichen Wärmetauscher sowie auch zu zusätzlichen Lagerkosten beim Anlagenbauer führt. Ein zusätzlicher Wärmetauscher wird regelmäßig dann erforderlich, wenn die Medien der beiden Medien-Kreisläufe sich unterscheiden. Da einer der Medien-Kreisläufe üblicherweise mit der Umgebung in Kontakt steht und somit der Außentemperatur ausgesetzt ist, muss dieses Medium frostschutzsicher sein, wohingegen auf der Verbraucherseite ein im Hinblick auf den Wärmetausch optimiertes Medium, insbesondere Wasser, eingesetzt werden kann. Ein zusätzlich erforderlicher Wärmetauscher führt zu einem erhöhten Bauraumbedarf.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Anlage zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Kälte- oder Wärmepumpenanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Kälte- oder Wärmepumpenanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 11.
Hierbei ist vorgesehen, dass einer der beiden Wärmetauscher des Kältemittelkreislaufs, nachfolgend als erster Wärmetauscher bezeichnet, nicht nur zum Wärmetausch zwischen dem Kältemittel und dem einen Medium des ersten Medien-Kreislaufes ausgebildet ist, sondern dass vielmehr dieser Wärmetauscher zugleich auch zum direkten Wärmetausch zwischen den Medien der beiden Medien-Kreisläufe ausgebildet ist.
Der erste Wärmetauscher ist daher vorzugsweise an insgesamt drei Kreisläufen, nämlich am Kältemittel-Kreislauf, am ersten Medium-Kreislauf sowie am zweiten Medium-Kreislauf angeschlossen. Vorzugsweise bildet der erste Wärmetauscher den Verflüssiger im Kältemittel-Kreislauf. In den drei Kreisläufen werden getrennt voneinander vorzugsweise (drei) unterschiedliche Medien geführt.
Der besondere Vorteil dieser Ausgestaltung ist darin zu sehen, dass auch für den Betriebsmodus der „freien Wärmeübertragung” und auch bei der Verwendung von unterschiedlichen Medien in den Medien-Kreisläufen kein zusätzlicher Wärmetauscher erforderlich ist. Hierdurch werden im Vergleich zu herkömmlichen Anlagen die Kosten durch Einsparung eines ansonsten zusätzlich erforderlichen Wärmetauschers sowie durch eine verringerte Anzahl von Ventilen und Rohrverbindungen reduziert. Gleichzeitig wird auch der erforderliche Bauraum verringert. Schließlich ist auch die Lagerhaltung vereinfacht, da die Anzahl der Komponenten reduziert ist.
Es lassen sich also zusammenfassend geringere Fertigungs-, Anschaffungs- und Zwischenlagerkosten sowie eine Vereinfachung bei der Fertigung und Logistik erzielen. Gleichzeitig werden die Vorteile der Energieeinsparung im Betriebsmodus der „freien Wärmeübertragung” beibehalten, bei der vorzugsweise der Kältekreislauf komplett abgeschaltet ist und daher lediglich die Kühl- oder Heizleistung des externen Medien-Kreislaufs ausgenutzt wird.
Der spezielle Wärmetauscher, im Folgenden auch als 3-Wege-Wärmetauscher bezeichnet, kann prinzipiell sowohl als Verflüssiger als auch als Verdampfer eingesetzt werden. Neben seiner Funktion als Verflüssiger/Verdampfer im Kältemittelkreislauf dient er daher zugleich als ein „Zwischenwärmetauscher” für die Wärmeübertragung zwischen den beiden Medien der Medien-Kreisläufe.
Die beiden Medien sind hierbei vorzugsweise voneinander verschieden. Verbraucherseitig wird als Medium beispielsweise Wasser und außenseitig beispielsweise Glykol, Sole oder ähnliche Medien (z. B. Öle, etc.) oder Mischungen hiervon eingesetzt.
In dem einen der beiden Medien-Kreisläufe, nämlich dem außenseitigen Medien-Kreislauf ist vorzugsweise ein externer Wärmetauscher zum Wärmetausch zwischen dem Medium und der Umgebung vorgesehen. Im Falle einer Kälteanlage wird dieser externe Wärmeaustauscher üblicherweise als Rückkühler bezeichnet.
Im Betriebsmodus der „freien Kühlung” wird daher vorzugsweise die Kühlleistung dieses Rückkühlers ausschließlich zur Kühlung der Verbraucherseite herangezogen.
Zweckdienlicherweise weist der 3-Wege-Wärmetauscher insbesondere voneinander getrennte Wärmetauscherflächen einerseits zum Wärmetausch zwischen dem einen Medium und dem Kältemittel und andererseits zwischen den beiden Medien auf. Das eine Medium, insbesondere das im externen Medien-Kreislauf geführte Medium, steht daher über die Wärmetauscherflächen sowohl in wärmetauschendem Kontakt mit dem Kältemittel als auch mit dem zweiten Medium. Ein Kontakt zwischen dem zweiten Medium und dem Kältemittel ist vorzugsweise nicht vorgesehen. Der Wärmetauscher ist beispielsweise als Platenwärmetauscher ausgebildet.
Der 3-Wege-Wärmetauscher ist hierzu vorzugsweise in zwei Teilbereiche unterteilt, die sich insbesondere aneinander anschließen. Zweckdienlicherweise werden beide Teilbereiche von dem ersten Medium durchströmt, wohingegen das Kältemittel lediglich den einen Teilbereich und das zweite Medium lediglich den anderen Teilbereich durchströmt, jeweils zum Wärmetausch mit dem ersten Medium. Der Wärmetauscher ist bevorzugt als Plattenwärmetauscher ausgebildet, wobei in jedem Teilbereich auch mehrere Wärmetauscherplatten vorgesehen sein können. Alternativ ist der Wärmetauscher derart ausgebildet, dass jeder der Kreisläufe mit jedem der beiden anderen Kreisläufe in wärmetauschenden Kontakt steht.
Zum Aktivieren der „freien Wärmeübertagung” ist vorzugsweise ein zuschaltbarer Bypass im zweiten Medium-Kreislauf vorgesehen, so dass das zweite Medium in diesem Betriebsmodus über den ersten Wärmetauscher im Kreis geführt ist.
Zum Umschalten ist hierbei ein Ventil, insbesondere ein 3-Wege Ventil vorgesehen, das von einer Steuereinheit entsprechend angesteuert wird. Das Ventil ist dabei vorzugsweise in eine Vorlaufleitung zum ersten Wärmetauscher geschaltet.
Weitere Ventile für die Aktivierung der freien Wärmeübertragung sind vorzugsweise nicht vorgesehen, wodurch der Installationsaufwand gering gehalten wird.
Die Anlage ist insgesamt vorzugsweise als Kälteanlage zur Kühlung einer Verbraucherseite ausgebildet ist. Derartige Kälteanlagen werden gewerblich eingesetzt und dienen zur Kühlung von gewerblichen Anlagen oder Komponenten. Bei einer derartigen Anlage ist der Betriebsmodus der freien Wärmeübertragung allgemein als „freie Kühlung” bezeichnet, bei dem die verbraucherseitige Wärme direkt an die Umgebung ohne Zwischenschaltung des Kältemittelkreislaufs abgegeben wird. Der Wärmetausch zur Umgebung hin erfolgt bevorzugt über einen sogenannten Rückkühler, der außenseitig aufgestellt ist und als Wärmetauscher im zweiten Mediumkreislauf angeordnet ist.
Die Anlage wird generell von einer Steuereinheit in Abhängigkeit der Anforderungen gesteuert. Insbesondere wird der Betriebsmodus der freien Wärmeübertragung temperaturabhängig aktiviert, insbesondere in Abhängigkeit der Außentemperatur im Vergleich zu der verbraucherseitig gewünschten Temperatur.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen beispielhaft für eine Kälteanlage
1 und 2 schematische und vereinfachte Darstellungen einer herkömmlichen Kälteanlage, wobei gemäß 1 identische Medien und im Falle der 2 unterschiedliche Medien mit zusätzlichen Wärmetauschern vorgesehen sind,
3 eine vereinfachte schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kälteanlage mit einem als 3-Wege-Wärmetauscher ausgebildeten Verflüssiger.
Alle drei dargestellten Kälteanlagen gemäß den 1 bis 3 weisen einen prinzipiell bekannten Kältekreislauf auf, in dem ein Kältemittel K im Kreislauf geführt wird, und in dem ein Verflüssiger 2 sowie ein Verdampfer 4 angeordnet sind. Bei einer Kälteanlage ist der Verflüssiger 2 an einem verflüssigerseitigen, externen Kühlkreislauf 6 angeschlossen, in dem ein Kühlmedium M1 im Kreis umgewälzt wird. Dieses ist beispielsweise Sole, Glykol, Öl oder Mixturen hiervon. Der externe Medien-Kreislauf umfasst einen Rückkühler 8, über den Wärme an die Umgebung (Außenbereich) abgegeben wird.
Der Verdampfer 4 ist an einen verbraucherseitigen Medien-Kreislauf 10 angeschlossen, in dem bei den Ausführungsbeispielen der 2 und 3 ein zweites, vom ersten Kühlmedium verschiedenes Kühlmedium M2, beispielsweise Wasser, geführt ist. Im Ausführungsbeispiel der 1 sind die Kühlmedien M1 identisch. In Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur, die von einem Temperatursensor 12 gemessen wird, kann die Anlage im Betriebsmodus der „freien Kühlung” betrieben werden.
Beim Ausführungsbeispiel der 1 wird in diesem Fall ein erstes Ventil 14, insbesondere 3-Wege-Ventil derart geschaltet, dass das Kühlmedium M1 vom Rückkühler 8 zunächst durch den Verflüssiger 2 und von dort zu einem Verbraucher V geleitet wird. Gleichzeitig wird ein zweites Ventil 16 im verbraucherseitigen Medien-Kreislauf 10 ebenfalls aktiviert derart, dass der Rücklauf des Kühlmediums M1 vom Verbraucher V nicht über den Verdampfer 4 sondern zum Rückkühler 8 geführt wird. Die Kühlleistung des Rückkühlers 8 wird daher unmittelbar ausgenutzt.
Bei Verwendung zweier unterschiedlicher Medien ist ein Zwischenwärmetauscher 18 erforderlich, wie er in 2 dargestellt ist. Die beiden Ventile 14, 16 werden in gleicher Weise wie beim Ausführungsbeispiel der 1 aktiviert, lediglich mit dem Unterschied, dass die Kühlmedien M1, M2 dann über den Zwischenwärmetauscher 18 geführt werden. Die Fließrichtung der Medien durch die Ventile 14, 16 im Modus „freie Kühlung” ist jeweils durch Pfeile angedeutet.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung zeigt die 3. Auch hierbei werden zwei unterschiedliche Kühlmedien M1, M2 eingesetzt. Im Unterschied zu der herkömmlichen Ausgestaltung nach 2 ist der Verflüssiger als spezieller 3-Wege-Wärmetauscher 20 ausgebildet. Dieser weist zusätzliche Anschlüsse für einen Bypass-Kreislauf 22 auf, welcher mit dem zweiten verbraucherseitigen Medien-Kreislauf verbunden ist. Zur Aktivierung des Betriebsmodus „freie Kühlung” ist ein einziges insbesondere als Umschaltventil ausgebildetes Ventil, vorzugsweise 3-Wege-Ventil 24 vorgesehen sein. Die Pfeilrichtung gibt – wie bereits in den 1 und 2 – die Durchflussrichtung des Kühlmediums M1, M2 im Betriebsmodus der „freien Kühlung” an. Wie zu erkennen ist, wird im Betriebsmodus der „freien Kühlung” der Rückweg vom Verflüssiger 20 zum Verbraucher V über den Bypass 22 freigeschaltet, so dass über die Umwälzpumpe 26 das Kühlmedium M2 über den Verflüssiger 20 geleitet wird und nicht mehr über den Verdampfer 4. In diesem Betriebsmodus erfolgt ein direkter Wärmetausch zwischen den beiden Kühlmedien M1, M2 im Verflüssiger 20, der hierfür geeignet ausgebildet ist.
Wie zu erkennen ist, ist im Vergleich zu den Ausgestaltungen gemäß dem Stand der Technik lediglich ein Umschaltventil 24 erforderlich und zudem kann selbst bei der bevorzugten Ausgestaltung mit der Verwendung unterschiedlicher Medien M1, M2 auf einem zusätzlichen Wärmetauscher verzichtet werden. In den externen Medien-Kreislauf 6 braucht in keinster Weise eingegriffen zu werden, d. h. der externe Medien-Kreislauf 6 verbindet lediglich den externen Wärmetauscher (Rückkühler 8) mit dem Verflüssiger 20, ohne dass eine zusätzliche Abzweigung oder ein zusätzliches Umschaltventil für einen Wärmetausch mit dem verbraucherseitigen Kühlmedium M2 vorgesehen ist.
Bezugszeichenliste

2: Verflüssiger/Kühlmedium
4: Verdampfer
6: Kühlkreislauf
8: Rückkühler
10: Medien-Kreislauf
12: Temperatursensor
14: Ventil
16: Ventil
18: Zwischenwärmetauscher
20: 3-Wege-Wärmetauscher/Verflüssiger
22: Bypass-Kreislauf
24: 3-Wege-Ventil
26: Umwälzpumpe
K: Kältemittel
M1: Kühlmedium 1
M2: Kühlmedium 2
V: Verbraucher

Claims

Kälte- oder Wärmepumpenanlage mit einem Kältemittelkreislauf, enthaltend einen ersten Wärmetauscher (20) sowie einen zweiten Wärmetauscher (4) und mit einem am ersten Wärmetauscher angeschlossenen ersten Medium-Kreislauf (6) für ein erstes Medium (M1) und mit einem am zweiten Wärmetauscher (4) angeschlossenen zweiten Medium-Kreislauf (10) für ein zweites Medium (M2), wobei in einem Betriebsmodus „freie Wärmeübertragung” ein direkter Wärmetausch zwischen den beiden Medien (M1, M2) ohne Zwischenschaltung des Kältemittelkreislaufs ermöglicht ist und hierzu der erste Wärmetauscher (20) des Kältemittelkreislaufs für einen direkten Wärmetausch zwischen den beiden Medien-Kreisläufen (6, 10) ausgebildet ist.
Anlage nach Anspruch 1, bei der im ersten Wärmetauscher (20) erste Wärmetauscherflächen zum Wärmetausch zwischen den beiden Medien (M1, M2) der Medien-Kreisläufe (6, 10) und zweite Wärmetauscherflächen zum Wärmetausch zwischen dem Medium (M1) des ersten Medium-Kreislaufs (6) und einem Kältemittel (K) des Kältemittel-Kreislaufs ausgebildet sind.
Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der erste Wärmetauscher (20) frei von Wärmetauscherflächen zwischen dem zweiten Medien-Kreislauf (10) und dem Kältemittelkreislauf ist.
Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der zweite Medium-Kreislauf (10) einen zuschaltbaren Bypass (22) aufweist, der mit dem ersten Wärmetauscher (20) verbunden ist.
Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der zweite Medium-Kreislauf (10) ein Ventil (24), insbesondere ein 3-Wege-Ventil aufweist, über das der Bypass (22) zuschaltbar ist.
Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der im Betriebsmodus „freie Wärmeübertragung” das Medium (M2) des zweiten Medium-Kreislaufs (10) ausschließlich über den ersten Wärmetauscher (20) im Kreis geführt wird und der Kältemittelkreislauf vorzugsweise abgeschaltet ist.
Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der erste Wärmetauscher (20) als Verflüssiger ausgebildet ist.
Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die als eine Kälteanlage zur Kühlung einer Verbraucherseite ausgebildet ist.
Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Betriebsmodus „freie Wärmeübertragung” als freie Kühlung ausgebildet ist, bei der eine verbraucherseitige Wärme ohne Zwischenschaltung des Kältemittelkreislaufes direkt an die Umgebung abgegeben wird.
Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine Steuereinheit vorgesehen ist, die temperaturabhängig den Betriebsmodus „freie Wärmeübertragung” aktiviert.
Verfahren zum Betrieb einer Kälte- oder Wärmepumpenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in einem Betriebsmodus „freie Wärmeübertragung” über den ersten Wärmetauscher (20) des Kältemittelkreislaufs ein direkter Wärmetausch zwischen den beiden Medien-Kreisläufen (6, 10) erfolgt.