DE102012004801A1

DE102012004801A1 - Anordnung für eine Wärmepumpe mit Schraubenverdichter

Info

Publication number: DE102012004801A1
Application number: DE201210004801
Authority: DE
Inventors: Dieter Mosemann
Original assignee: GEA Refrigeration Germany GmbH
Current assignee: GEA Refrigeration Germany GmbH
Priority date: 2012-03-08
Filing date: 2012-03-08
Publication date: 2013-09-12
Anticipated expiration: 2032-03-09
Also published as: DE102012004801B4

Abstract

Anordnung für eine Wärmepumpe zur Erwärmung eines Wärmeträgerfluids mit einem in sich geschlossenen Kreislauf für ein Arbeitsfluid, das im Kreislauf seinen Aggregatzustand ändert. Die Wärmepumpe hat zumindest einen Schraubenverdichter mit einer Ölzuführung, einen Ölabscheider zur Trennung von Öl und Arbeitsfluid, einen Ölkühler, einen Enthitzer, einen Verflüssiger, einen Unterkühler, eine Drosselstelle, einen Verdampfer, wobei Verdichter, Ölabscheider, Enthitzer, Verflüssiger und Unterkühler nacheinander Teile eines Strömungspfad des Arbeitsfluids enthalten, und im Ölkühler das Öl vor der Zuführung in Schraubenverdichter abgekühlt wird. Zur Verbesserung der Effizienz der Wärmepumpe durch Vermeidung von Exergieverlust sind Unterkühler und Verflüssiger nacheinander Teil eines Strömungspfades für ein Wärmeträgerfluid, dem zwei parallele Strömungspfade des Wärmeträgerfluids folgen, einer durch den Ölkühler und der andere durch den Enthitzer, mit der Durchströmrichtung vom Austritt aus dem Verflüssiger zum Austritt nach Ölkühler und Enthitzer.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung für eine Wärmepumpe mit zumindest einem Schraubenverdichter, der ein Arbeitsfluid von einem tieferen Druck auf einen höheren Druck verdichtet, mit zumindest einem Verflüssiger, in dem Arbeitsfluid seinen Aggregatzustand durch Wärmeentzug von gas- oder dampfförmig in flüssig ändert, mit zumindest einer Drosseleinrichtung, in der das flüssige Arbeitsfluid von dem höheren Druck auf einen tieferen Druck entspannt wird, wodurch es sich abkühlt, mit zumindest einem Verdampfer, in dem das Arbeitsfluid durch Zufuhr von Wärme verdampft und wieder vom Schraubenverdichter angesaugt werden kann. Durch die beschriebene Anordnung kann Wärme, die bei einem tieferen Temperaturniveau zur Verdampfung des Arbeitsfluids im Verdampfer zugeführt wird, durch mechanische Arbeit zum Antrieb des Verdichters auf ein höheres nutzbares Temperaturniveau gebracht werden und im Verflüssiger an ein Wärmeträgerfluid, zum Beispiel Wasser, abgegeben werden, um einer zweckbestimmten Warm- oder Heißwasser-Anwendung zu dienen. Das Wärmeträgerfluid ist somit Wärmesenke am Verflüssiger. Auf diese Weise transportiert eine Wärmepumpe mittels mechanischer Arbeit Wärme von einer Wärmequelle niedriger Temperatur zu einer Wärmesenke höherer Temperatur. Die nutzbare Wärmemenge beim höheren Temperaturniveau setzt sich in grober Näherung zusammen aus der aufgenommenen Wärmemenge beim tieferen Temperaturniveau, also der Wärmemenge der Wärmequelle, und der zugeführten Verdichtungsarbeit an der Verdichter-Antriebswelle. Dabei ist die Wärmepumpe am wirtschaftlichsten, die einen vorgegebenen Temperaturhub von der Wärmequelle zur Wärmesenke mit der geringstmöglichen Verdichtungsarbeit realisiert.
Der Verdichter der Wärmepumpe gemäß dem Gegenstand der Erfindung ist ein sogenannter ölüberfluteter Schraubenverdichter. Dieser hat zwei Rotoren, deren Profilteile Zähne und Zahnlücken mit ausgeprägter Schrägverzahnung aufweisen und im Kämmeingriff stehen und von Wandflächen eines Umfassungsgehäuses umschlossen werden, so dass die Zahnlückenräume v-förmige Arbeitskammern bilden, deren Größe sich infolge der Drehung der Rotoren um ihre eigene Achse ändert, so dass die geometrischen Arbeitsschritte eines Verdichters „Ansaugen”, „Verdichten”, „Ausschieben” vorhanden sind und ein Arbeitsfluid, zum Beispiel gas- oder dampfförmiges Ammoniak, von einem tieferen Druck auf einen höheren Druck gebracht werden kann. In sich verkleinernde v-förmige Arbeitskammern der Rotoren, die den Verdichtungsvorgang bewerkstelligen, wird gekühltes Öl zur Kühlung des Arbeitsfluids während der Verdichtung eingespritzt, das sich während des Verdichtungsvorganges gemeinsam mit dem Arbeitsfluid auf eine höhere Temperatur erwärmt. Das Öl wird gemeinsam mit dem Arbeitsfluid aus den Arbeitskammern ausgeschoben, in einem stromabwärts nachgeordneten Ölabscheider vom Arbeitsfluid getrennt, aus dem Sumpfbereich des Ölabscheiders in einem Ölkühler infolge Wärmeabfuhr an ein Wärmeträgerfluid wieder auf tiefere Temperatur abgekühlt und wieder in die Zahnlückenräume zugeführt. Die Öltemperatur nach dem Ölkühler hängt ab vom Maß der Wärmeabfuhr. Die Öltemperaturen vor und nach dem Ölkühler berücksichtigen die Öleigenschaften, Temperaturgrenzen des Verdichters und die Nutzung der Olkühlungswärme, die am Ölkühler an das Wärmeträgerfluid übertragen werden soll. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass das in die Zahnlückenräume eingespritzte Öl auch weitere Aufgaben erfüllt, wie zum Beispiel die hydraulische Abdichtung an den die Arbeitskammern umgebenden Spaltflächen und die Schmierung der in direktem Kammeingriff stehenden Profilteile der Rotoren.
Nach dem Stand der Technik ist eine Anordnung bekannt, die in www.greentechgermany.com Wärmepumpen mit natürlichen Kältemitteln – energieeffiziente Technologie mit Zukunftsperspektive; 29. Februar 2012, beschrieben ist. Gemäß dieser Anordnung erfolgt die erste Erwärmung des Wassers über das heiße Öl aus dem Ölabscheider. Die weitere Erwärmung des Wassers übernimmt der Kondensator bei Kondensationstemperatur. Die letzte Erwärmung wird in einem Enthitzer erzielt, in den das Arbeitsfluid mit der Verdichter-Austrittstemperatur eintritt.
Eine andere bekannte Anordnung wurde im Beitrag „WÄRMEPUMPEN MIT NATÜRLICHEN KÄLTEMITTELN, DKV-Tagungsbericht Berlin, 2009, vorgestellt, in der ein weiterer Wärmeübertrager im Arbeitsfluid nach dem Verflüssiger stromabwärts angeordnet ist, der als Unterkühler bezeichnet wird. Er wird durch das zu erwärmende Wärmeträgerfluid entgegen der Strömungsrichtung des Arbeitsfluids durchströmt, so dass sich das Wärmeträgerfluid ausgehend von seiner tiefsten Temperatur einerseits erwärmt während sich das Arbeitsfluid bei konstantem Druck, wenn Strömungsdruckabfälle und geodätische Drücke unberücksichtigt bleiben, abkühlt.
Aus Gründen einer einfacheren Erklärung wird im Folgenden anstelle von Wärmeträgerfluid auch der Begriff Wasser benutzt, was aber nicht bedeutet, dass nicht andere Fluide als Wärmeträgerfluid benutzt werden können. Der Unterkühler hat wasserseitig und arbeitsfluidseitig Eintritts- und Austrittsstutzen, die so angeordnet sind, dass die Strömungspfade für Arbeitsfluid und Wasser in unterschiedlichen Richtungen durchströmt werden und Wärme an den im Unterkühler angeordneten Wärmeübertragungsflächen, die an den Strömungspfaden angeordnet sind, vom Arbeitsfluid zum Wasser übertragen wird. Dieser Wärmeübertrager wird, wie bereits erwähnt, als Unterkühler bezeichnet, da das Arbeitsfluid nach der Verflüssigung bei gleichem Druck abgekühlt, unterkühlt, wird. Der Unterkühler hat einen arbeitsfluidseitigen Eintrittsstutzen, der stromaufwärts mit dem arbeitsfluidseitigen Austrittsstutzen des Verflüssigers verbunden ist, während der arbeitsfluidseitige Austrittsstutzen des Unterkühlers stromabwärts mit der Drosseleinrichtung strömungsmäßig verbunden ist. Der wasserseitige Eintrittsstutzen des Unterkühlers ist der Kaltwasserzulauf ohne eine vorherige Erwärmung durch ein Arbeitsfluid. Der Austrittsstutzen ist mit dem wasserseitigen Eintrittsstutzen des Ölkühlers verbunden, während der wasserseitige Austrittsstutzen des Ölkühlers mit dem wasserseitigen Eintrittsstutzen des Verflüssigers verbunden ist. Der Ölkühler hat wasserseitig und ölseitig Eintritts- und Austrittsstutzen, die so angeordnet sind, dass die Strömungspfade für Öl und Wasser in unterschiedlichen Richtungen durchströmt werden. Das Wasser erwärmt sich im Ölkühler durch Aufnahme der Ölkühlungswärme, wobei sich das Öl abkühlt. Das Wasser erwärmt sich dann weiter während der Passage durch den Verflüssiger infolge Kondensationswärme des Verflüssigungsprozesses des Arbeitsfluids, dessen Temperatur dabei konstant bleibt. Der wasserseitige Austrittsstutzen des Verflüssigers ist mit dem Eintrittsstutzen eines weiteren Wärmeübertragers, des Enthitzers, verbunden, der arbeitsfluidseitig stromabwärts nach dem Ölabscheider angeordnet ist. Der Enthitzer hat wasserseitig und arbeitsfluidseitig Eintritts- und Austrittsstutzen, die so angeordnet sind, dass die Strömungspfade für Arbeitsfluid und Wasser in unterschiedlichen Richtungen durchströmt werden. Der arbeitsfluidseitige Austrittsstutzen des Enthitzers ist mit dem Eintrittsstutzen des Verflüssigers verbunden. Das zu erwärmende Wasser durchströmt entgegen der Strömungsrichtung des Arbeitsfluids Unterkühler, Ölkühler, Verflüssiger, Enthitzer. Das Arbeitsfluid durchströmt nach Verlassen des Verdichters Enthitzer, Verflüssiger und Unterkühler. Das zu kühlende Öl durchströmt entgegen der Strömungsrichtung des zu erwärmenden Wassers den Ölkühler. Das Öl hat am Austrittsstutzen am Ölsumpf des Ölabscheiders, der mit dem Eintrittsstutzen des Ölkühlers verbunden ist, die gleiche Temperatur wie das Arbeitsfluid am Ölabscheideraustritt, also beide, Öl und Arbeitsfluid, haben die höchste Temperatur innerhalb der Wärmepumpe.
Nachteil dieser Anordnung ist, dass das hohe Temperaturniveau der Ölkühlungswärme nicht zur Erwärmung des Wassers auf eine möglichst hohem Temperaturniveau genutzt wird. In der bekannten Anordnung hat das zu erwärmende Wasser nach dem Verlassen des Unterkühlers eine relativ niedrige Temperatur, so dass die Temperaturdifferenz zwischen Öl und Wasser sehr groß ist, was große Exergieverluste verursacht, die durch höhere Verflüssigungstemperatur kompensiert werden müssten, um eine gewünschte Heißwasseraustrittstemperatur nach dem Enthitzer zu erreichen. Dazu ist ein höherer Verflüssigungsdruck erforderlich und somit mehr Verdichtungsarbeit, so dass das Verhältnis aus Wärmemenge und Verdichtungsarbeit kleiner wird, die Wärmepumpe ineffizienter arbeitet.
Ziel und Aufgabe der Erfindung ist, diesen Nachteil durch eine veränderte Anordnung des Ölkühlers zu beseitigen und die Ölkühlerwärme, die das gleiche Exergie Niveau wie die Enthitzungswärme des Arbeitsfluids hat, bei höchst möglichem Temperaturniveau zur Heißwassererwärmung zu nutzen.
Gemäß der Erfindung wird eine Anordnung für Enthitzer, Verflüssiger, Unterkühler und Ölkühler vorgeschlagen, in der der Unterkühler im Strömungspfad des Arbeitsfluids nach dem Verflüssiger stromabwärts angeordnet ist und mit dem zu erwärmenden Wasser entgegen der Strömungsrichtung des Arbeitsfluids durchströmt wird, so dass sich das Wasser ausgehend von seiner tiefsten Temperatur erwärmt und dabei das Arbeitsfluid abkühlt, unterkühlt. Der Unterkühler hat im Strömungspfad des Arbeitsfluids einen arbeitsfluidseitigen Zulaufstutzen, der mit dem arbeitsfluidseitigen Ablaufstutzen des Verflüssigers verbunden ist, während der arbeitsfluidseitige Ablaufstutzen des Unterkühlers mit der Drosseleinrichtung strömungsmäßig verbunden ist, und der wasserseitige Zulaufstutzen des Unterkühlers ist der Kaltwasserzulauf. Eine vorherige Erwärmung des Wassers durch das Arbeitsfluid erfolgt nicht. Der wasserseitige Ablaufstutzen ist erfindungsgemäß mit dem wasserseitigen Eintrittsstutzen des Verflüssigers verbunden.
Das Wasser erwärmt sich während der Passage durch den Verflüssiger infolge der Kondensationswärme des Verflüssigungsprozesses des Arbeitsfluids, dessen Temperatur dabei konstant bleibt. Der wasserseitige Austrittsstutzen des Verflüssigers ist gemäß der Erfindung einerseits mit dem wasserseitigen Eintrittsstutzen des Enthitzers, und andererseits mit dem wasserseitigen Eintrittsstutzen des Ölkühlers verbunden, so dass die Rohrleitung vor dem Enthitzer und vor dem Ölkühler in zwei getrennte Strömungspfade aufgeteilt ist, so dass ein Teilstrom des zu erwärmenden Wassers durch den Ölkühler geführt wird, während der andere Teilstrom durch den Enthitzer geführt wird. Der arbeitsfluidseitige Eintrittsstutzen des Enthitzers ist im Strömungspfad des Arbeitsfluids stromabwärts nach dem Ölabscheider angeordnet, während der arbeitsfluidseitige Auslassstutzen des Enthitzers im Strömungspfad des Arbeitsfluids mit dem Einlassstutzen des Verflüssigers verbunden ist. Das zu erwärmende Wasser passiert den Enthitzer entgegen der Strömungsrichtung des Arbeitsfluids und erreicht die höchstmögliche Temperatur. Der wasserseitige Austrittsstutzen des Ölkühlers ist mit dem wasserseitigen Austrittsstutzen des Enthitzers verbunden, so dass die beiden Strömungspfade durch Ölkühler und Enthitzer wieder einen gemeinsamen Strömungspfad bilden, der zum Heißwasser-Entnahmeanschluss der Wärmepumpe führt. Der ölseitige Eintrittsstutzen des Ölkühlers ist stromabwärts nach dem Sumpf des Ölabscheiders angeordnet. Das zu kühlende Öl durchströmt entgegen der Strömungsrichtung in einem eigenen Strömungspfad das zu erwärmende Wasser. Der ölseitige Austrittsstutzen des Ölkühlers ist strömungsmäßig mit dem Verdichtergehäuse verbunden. Das zu erwärmende Wasser durchströmt somit entgegen der Strömungsrichtung des Arbeitsfluids nacheinander Unterkühler und Verflüssiger und danach parallel in getrennten Strömungspfaden Enthitzer und Ölkühler. Das Arbeitsfluids durchströmt nach Verlassen des Ölabscheiders den Enthitzer, den Verflüssiger und den Unterkühler. Das Öl aus dem Ölsumpf des Ölabscheiders durchströmt den Ölkühler. Das Wasser erwärmt sich nach Austritt aus Enthitzer und Ölkühler durch Nutzung der hochtemperaturigen Ölkühlerwärme und der hochtemperaturigen Enthitzungswärme auf die Nutztemperatur. Exergieverluste infolge großer Temperaturunterschiede zur Wärmeübertragung werden vermieden. Im Ergebnis kann die gewünschte Heißwasseraustrittstemperatur mit einer Kondensationstemperatur realisiert werden, die deutlich, zum Beispiel 10 K, unterhalb der Heißwasseraustrittstemperatur liegt.
Gemäß der Erfindung wird die Ölkühlerwärme mit kleinstmöglicher Temperaturdifferenz, also geringstem Exergieverlust, zur Wassererwärmung eingesetzt.
Das führt gegenüber dem Stand der Technik zu einer Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der Wärmepumpe.
In einer vorteilhaften Ausführung wird der Volumenstrom des Wassers zumindest an einem der beiden Strömungspfade des Wassers durch mehr oder weniger Drosselung des partiellen Wasservolumens mittels eines Regelventils so angepasst, dass sich die Differenz der beiden Temperaturen am Austrittsstutzen des Enthitzers und am Austrittsstutzend des Ölkühlers in vorgegebenen Grenzen bewegt. Dazu ist vorteilhaft nach dem wasserseitigen Austrittsstutzen des Enthitzers oder nach dem wasserseitigen Austrittsstutzen des Ölkühlers ein Regelventil angeordnet, das mit einem Regler logisch verknüpft ist. Vorteilhaft ist der Regler ein Dreipunktregler, dessen Eingangssignale die Temperaturen des wasserseitigen Austrittsstutzens des Enthitzers und des wasserseitigen Austrittsstutzens des Ölkühlers sind, während das Ausgangssignal ein Stellsignal für das Regelventil ist.
Die Temperaturdifferenz am Ölkühler zwischen wasserseitiger Eintrittstemperatur und ölseitiger Austrittstemperatur reduziert sich bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung auf ein technisch notwendiges Minimum. Exergieverluste werden reduziert. Die Kondensationstemperatur kann bei erfindungsgemäßer Anordnung gegenüber dem Stand der Technik deutlich reduziert werden, so dass das Verhältnis aus Wärmemenge und Verdichtungsarbeit verbessert wird und die Wärmepumpe effizient arbeitet.
Die Figur zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung für eine Wärmepumpe mit einem ölüberfluteten Schraubenverdichter 1, der das Arbeitsfluid von einem tieferen Druck auf einen höheren Druck verdichtet, mit einem Verflüssiger 3, in dem das Arbeitsfluid durch Wärmeentzug den Aggregatzustand von dampfförmig in flüssig ändert, mit einer Drosseleinrichtung 4, in der das flüssige Arbeitsfluid von dem höheren Druck auf einen tieferen Druck entspannt wird, wodurch es sich abkühlt, mit einem Verdampfer 6, in dem das Arbeitsfluid durch Zufuhr von Wärme verdampft, wobei der Verdampfer 6 der mit einem Flüssigkeitsabscheider 8 kommunizieren verbunden ist. Im Flüssigkeitsabscheider 8 werden flüssiges und dampfförmiges Arbeitsfluid voneinander getrennt. Das dampfförmige Arbeitsfluid wird vom Schraubenverdichter 1 angesaugt und auf einen höheren Druck verdichtet. Der erforderliche Antriebsmotor für den Verdichter 1 ist nicht dargestellt. Das flüssige Arbeitsfluid gelangt erneut zum Verdampfer.
Die dickeren Linien in der dargestellten Figur betreffen die Strömungswege des Arbeitsfluids, die dünneren Linien die Strömungswege des Wärmeträgerfluids, hier des Wassers, die gestrichelten Linien die Strömungswege des Öles.
In den Schraubenverdichter 1 wird zur Kühlung des Arbeitsfluids während der Verdichtung Öl zugeführt, das sich während des Verdichtungsvorganges gemeinsam mit dem Arbeitsfluid auf eine höhere Temperatur erwärmt. Das Öl wird gemeinsam mit dem Arbeitsfluid aus den Arbeitskammern ausgeschoben, im stromabwärts angeordneten Ölabscheider 2 vom Arbeitsfluid getrennt, wobei sich das Öl im Ölsumpf des Ölabscheiders sammelt, während das Arbeitsfluid am Kopfteil entnommen wird. Im Ölkühler 5 wird das Öl auf eine tiefere Temperatur abgekühlt, so dass Ölkühlungswärme anfällt, und danach wieder in den Verdichter 1 geführt. Die erfindungsgemäße Anordnung hat einen Unterkühler 7, der nach dem Verflüssiger 3 stromabwärts angeordnet ist. Der Unterkühler 7 hat einen arbeitsfluidseitigen Eintrittsstutzen 701, der mit dem arbeitsfluidseitigen Austrittsstutzen 302 des Verflüssigers 3 kommunizierend verbunden ist, während der arbeitsfluidseitige Austrittsstutzen 702 des Unterkühlers 7 mit der Drosseleinrichtung 4 strömungsmäßig verbunden ist, und der wasserseitige Eintrittsstutzen 71 des Unterkühlers 7 ist der Kaltwasserzulauf 100. Eine vorherige Erwärmung des Wassers durch Arbeitsfluid erfolgt nicht. Der wasserseitige Austrittsstutzen 72 ist mit dem wasserseitigen Eintrittsstutzen 31 des Verflüssigers 3 kommunizierend verbunden. Das im Verflüssiger 3 von Dampf in Flüssigkeit gewandelte Arbeitsfluid wird durch Wärmeabgabe an das Wasser im Unterkühler unter seine Kondensationstemperatur abgekühlt, ohne dass sich der Druck des Arbeitsfluids dabei ändert. Das Arbeitsfluid wird unterkühlt. Das Wasser wird nach der Passage durch den Enthitzer 8 in den Verflüssiger 3 geführt, wo es sich infolge der Kondensationswärme aus dem Verflüssigungsprozess des Arbeitsfluids weiter erwärmt. Der wasserseitige Austrittsstutzen 32 des Verflüssigers ist gemäß der Erfindung einerseits mit dem wasserseitigen Eintrittsstutzen 81 des Enthitzers 8 und andererseits mit dem wasserseitigen Eintrittsstutzen 51 des Ölkühlers 5 verbunden, so dass die Rohrleitung vor Enthitzer 8 und vor Ölkühler 5 in zwei getrennte parallele Strömungspfade am Verteilungspunkt 581 aufgeteilt wird, so dass ein Teilstrom des zu erwärmenden Wassers zum wasserseitigen Eintrittsstutzen 51 des Ölkühlers 5 geführt wird, während der andere Teilstrom zum wasserseitigen Eintrittsstutzen 81 des Enthitzers 8 durch den Enthitzer 8 geführt wird. Der arbeitsfluidseitige Eintrittsstutzen 801 des Enthitzers 8 ist stromabwärts nach dem Ölabscheider 2 angeordnet, während der arbeitsfluidseitige Auslassstutzen 802 des Enthitzers 8 mit dem Einlassstutzen 301 des Verflüssigers 3 verbunden ist. Der Enthitzer 8 wird mit dem zu erwärmenden Wasser entgegen der Strömungsrichtung des Arbeitsfluids durchströmt. Der wasserseitige Austrittsstutzen 52 des Ölkühlers ist mit dem wasserseitigen Austrittsstutzen 82 des Enthitzers 8 verbunden, so dass die beiden Strömungspfade durch Ölkühler 5 und Enthitzer 8 wieder ab Sammelpunkt 582 einen gemeinsamen Strömungspfad 200 bilden. Das zu enthitzende Arbeitsfluid durchströmt entgegen der Strömungsrichtung in einem eigenen Strömungspfad das zu erwärmende Wasser. Der ölseitige Eintrittsstutzen 511 des Ölkühlers 5 ist stromabwärts nach dem Sumpf des Ölabscheiders 2 angeordnet. Das zu kühlende Öl durchströmt entgegen der Strömungsrichtung in einem eigenen Strömungspfad das zu erwärmende Wasser. Der ölseitige Austrittsstutzen 512 des Ölkühlers 5 ist strömungsmäßig mit dem Verdichter 1 verbunden.
Das zu erwärmende Wasser durchströmt entgegen der Strömungsrichtung des Arbeitsfluids nacheinander Unterkühler 7 und Verflüssiger 3 und danach parallel in getrennten Strömungspfaden Enthitzer 8 und Ölkühler 5. Das Arbeitsfluid durchströmt nach Verlassen des Ölabscheiders 2 an dessen Kopfseite den Enthitzer 8, den Verflüssiger 3 und den Unterkühler 7. Das Wasser erwärmt sich nach Austritt aus dem Verflüssiger 3 durch Nutzung der hochtemperaturigen Ölkühlerwärme und der hochtemperaturigen Enthitzungswärme auf die gewünschte hohe Nutztemperatur am gemeinsamen Strömungspfad 200. Das Wasser wird in den beiden parallel zueinander angeordneten Strömungspfaden durch die Abkühlung des Öles und des Arbeitsfluides von einer gemeinsamen hohen Temperatur im Ölabscheider, vorteilhaft 110°C, auf 85°C erwärmt. Dazu wird in dem einen Strömungspfad (Ölkühler) auf die gewünschte Öleintrittstemperatur zum Verdichter 1 abgekühlt, vorteilhaft auf 75°C, und in dem anderen Strömungspfad auf die gewünschte Eintrittstemperatur zum Verflüssiger, vorteilhaft 75°C abgekühlt, so dass Öleintrittstemperatur zum Verdichter und Kondensationstemperatur gleich groß sind, vorteilhaft 75°C. Der Volumenstrom des Wassers wird im Strömungspfad nach dem Enthitzer durch mehr oder weniger Drosselung des partiellen Wasservolumens mittels des Regelventils 15 so angepasst, dass sich die Differenz der beiden Temperaturen am Austrittsstutzen des Enthitzers und am Austrittsstutzend des Ölkühlers in vorgegebenen Grenzen bewegt. Dazu ist das Regelventil 15 mit einem nicht dargestellten Dreipunktregler logisch verknüpft. Eingangssignale zum Dreipunktregler sind die Temperaturen des wasserseitigen Austrittsstutzens 82 des Enthitzers 8 und des wasserseitigen Austrittsstutzens 52 des Ölkühlers 5, während das Ausgangssignal des Dreipunktreglers ein Stellsignal für das Regelventil 15 ist. Der Volumenstrom des Wassers wird dadurch im Strömungspfad nach dem wasserseitigen Austrittsstutzen 82 durch mehr oder weniger Drosselung des partiellen Wasservolumens mittels Regelventil 15 so angepasst, dass die Temperatur am Austrittsstutzen 82 des Enthitzers 8 und am Austrittsstutzen 52 des Ölkühlers 5 sich in vorgegebenen Grenzen von etwa 1 K bewegt. Die Temperaturdifferenz am Ölkühler zwischen wasserseitiger Eintrittstemperatur am wasserseitigen Eintrittsstutzen 51 und ölseitiger Austrittstemperatur am Austrittsstutzen 512 reduziert sich bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung auf ein technisch notwendiges Minimum von etwa 3 K.
Exergieverluste beim Wärmetransport werden daher weitestgehend vermieden. Die Kondensationstemperatur kann bei erfindungsgemäßer Anordnung gegenüber dem Stand der Technik deutlich reduziert werden, so dass das Verhältnis aus Wärmemenge und Verdichtungsarbeit verbessert wird und die Wärmepumpe effizienter betrieben wird. Mit dem Arbeitsfluid Ammoniak lässt sich bei 75°C Kondensationstemperatur Heißwasser auf 85°C aufheizen.
Für Lastschwankungen und Teillastbetrieb wird die Heißwassertemperatur von beispielsweise 85°C wird durch ein nicht dargestelltes Ventil am Zulauf 100 oder am Ablauf 200 durch mehr oder weniger Volumenstrom geregelt. Dazu ist das Regelventil mit einem Regler logisch verknüpft. Die Regelgröße ist der Sollwert für die Heißwassertemperatur von 85°C, das Signal zum modulierenden Öffnen oder Schließen des Regelventils ist die Stellgröße.
Bezugszeichenliste

1: Schraubenverdichter
2: Ölabscheider
3: Verflüssiger
4: Drosseleinrichtung
5: Ölkühler
6: Verdampfer
7: Unterkühler
8: Enthitzer
9: Flüssigkeitsabscheider
15: Regelventil
31: wasserseitiger Eintrittsstutzen des Verflüssigers
32: wasserseitiger Austrittsstutzen des Verflüssigers
51: wasserseitiger Eintrittsstutzen des Ölkühlers
52: wasserseitiger Austrittsstutzen des Ölkühlers
71: wasserseitiger Eintrittsstutzen des Unterkühlers
72: wasserseitiger Austrittsstutzen des Unterkühlers
81: wasserseitiger Eintrittsstutzen des Enthitzers
82: wasserseitiger Austrittsstutzen des Enthitzers
100: Kaltwasserzulauf
200: gemeinsamer Strömungspfad, Ablauf
301: arbeitsfluidseitiger Eintrittsstutzen des Verflüssigers
302: arbeitsfluidseitiger Austrittsstutzen des Verflüssigers
511: ölseitiger Eintrittsstutzen des Ölkühlers
512: ölseitiger Austrittsstutzendes Ölkühlers
581: Verteilungspunkt
582: Sammelpunkt
701: arbeitsfluidseitiger Eintrittsstutzen des Unterkühlers
702: arbeitsfluidseitiger Austrittsstutzen des Unterkühlers
801: arbeitsfluidseitiger Eintrittsstutzen des Enthitzers
802: arbeitsfluidseitiger Austrittsstutzen des Enthitzers

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

www.greentechgermany.com [0003]
„WÄRMEPUMPEN MIT NATÜRLICHEN KÄLTEMITTELN, DKV-Tagungsbericht Berlin, 2009 [0004]

Claims

Anordnung für eine Wärmepumpe mit einem in sich geschlossenen Kreislauf für ein Arbeitsfluid, der zumindest einen Schraubenverdichter mit einer Ölzuführung, einen Ölabscheider zur Trennung von Öl und Arbeitsfluid, einen Enthitzer, einen Verflüssiger, einen Unterkühler, eine Drosselstelle, einen Verdampfer und damit kommunizierende Behälter aufweist, die in der Reihenfolge Verdichter, Ölabscheider, Enthitzer, Verflüssiger, Unterkühler angeordnet sind und zu einem gemeinsamen Strömungspfad für das Arbeitsfluid gehören mit der Strömungsrichtung vom Verdichter zum Unterkühler, und mit einem Ölkühler zur Kühlung des Öles hin zum Schraubenverdichter, dadurch gekennzeichnet, dass Unterkühler und Verflüssiger einen gemeinsamen Strömungspfad für ein Wärmeträgerfluid, vorzugsweise Wasser bilden, dem zwei getrennte parallel zueinander betriebene Strömungspfade des Wärmeträgerfluids, einer durch den Ölkühler und der andere durch den Enthitzer, nachgeschaltet sind, mit der Strömungsrichtung vom Eintritt in den Unterkühler zum gemeinsamen Austritt nach Ölkühler und Enthitzer und die Strömungsrichtung des Wärmeträgerfluids der Strömungsrichtung des Arbeitsfluids entgegen gerichtet ist.
Anordnung für eine Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, nach dem wasserseitigen Austrittsstutzen des Enthitzers ein Regelventil angeordnet ist.
Anordnung für eine Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem wasserseitigen Austrittsstutzen des Ölkühlers ein Regelventil angeordnet ist.
Anordnung für eine Wärmepumpe nach Anspruch 2, 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelventil mit einem Regler logisch verknüpft ist.
Anordnung für eine Wärmepumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler ein Dreipunktregler ist, dessen Eingangssignale die Temperaturen wasserseitigen Austrittsstutzen des Enthitzers und des wasserseitigen Austrittsstutzen des Ölkühlers sind, während das Ausgangssignal ein Stellsignal für das Regelventil ist.
Anordnung für eine Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein modulierend arbeitendes Regelventil im Kaltwasserzulauf oder in dem gemeinsamen Strömungspfad, Ablauf, angeordnet ist, das mit einem Regler logisch verknüpft ist, dessen Regelgröße Sollwert für die Heißwassertemperatur und dessen Stellgröße Signal zum Regelventil ist.