DE102013013734A1

DE102013013734A1 - Wärmepumpenanlage

Info

Publication number: DE102013013734A1
Application number: DE102013013734.9A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-05-17
Filing date: 2013-08-17
Publication date: 2014-11-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpenanlage (1), umfassend einen ersten Wärmetauscher (2), der einen ersten geschlossenen Medienkreislauf (3) mit einem zu kühlenden Medium (4) aufweist, einen zweiten Wärmetauscher (5), der einen zweiten geschlossenen Medienkreislauf (6) mit einem zu erwärmenden Medium (7) aufweist, einen dritten geschlossenen Medienkreislauf (8), der zwischen dem ersten Wärmetauscher (2) und dem zweiten Wärmetauscher (5) wirksam angeordnet ist, wobei in einem ersten Ast (8') des dritten Medienkreislaufs (8) ein von einem Motor (9) angetriebener Fluid-Kompressor (10) angeordnet ist. Um einen höheren Wirkungsgrad der Wärmepumpenanlage zu erreichen, sieht die Erfindung vor, dass in einem zweiten Ast (8'') des dritten Medienkreislaufs (8) eine fluidangetriebene Turbine (11) angeordnet ist, die mit dem Fluid-Kompressor (10) und dem Motor (9) über eine gemeinsame Welle (12) in Drehverbindung steht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpenanlage, umfassend einen ersten Wärmetauscher, der einen ersten geschlossenen Medienkreislauf mit einem zu kühlenden Medium aufweist, einen zweiten Wärmetauscher, der einen zweiten geschlossenen Medienkreislauf mit einem zu erwärmenden Medium aufweist, und einen dritten geschlossenen Medienkreislauf, der zwischen dem ersten Wärmetauscher und dem zweiten Wärmetauscher wirksam angeordnet ist, wobei in einem ersten Ast des dritten Medienkreislaufs ein von einem Motor angetriebener Fluid-Kompressor angeordnet ist.
Bei bekannten Wärmepumpenanlagen der gattungsgemäßen Art weist der dritte geschlossene Medienkreislauf, der den ersten und den zweiten Medienkreislauf thermisch miteinander verbindet, einen ersten und einen zweiten Ast auf. Der erste Ast verläuft vom ersten zum zweiten Medienkreislauf, während der zweite Ast vom zweiten zum ersten Medienkreislauf zurückläuft. Im ersten Ast des dritten Medienkreislaufs ist der genannte motorangetriebene Fluid-Kompressor vorhanden, um ein Arbeitsfluid zu verdichten; indes befindet sich im zweiten Ast eine Drossel, um das geförderte Fluid zu entspannen.
Dies geht mit dem Umstand einher, dass an der Drossel Energie dissipiert, d. h. in Wärme umgewandelt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmepumpenanlage der oben genannten Art so fortzubilden, dass ein höherer Gesamtwirkungsgrad der Anlage erzielt wird.
Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Ast des dritten Medienkreislaufs eine fluidangetriebene Turbine angeordnet ist, die mit dem Fluid-Kompressor und dem Motor über eine gemeinsame Welle in Drehverbindung steht.
Alternativ zu dieser mechanischen Verbindung zwischen fluidangetriebener Turbine und Fluid-Kompressor kann auch eine „elektrische Verbindung” vorgesehen werden, d. h. in diesem Falle ist vorgesehen, dass die in dem zweiten Ast des dritten Medienkreislaufs angeordnete fluidangetriebene Turbine einen elektrischen Generator antreibt, wobei dieser mit dem Motor in elektrischer Verbindung steht.
Der Fluid-Kompressor ist bevorzugt als Ringflüssigkeitskompressor ausgebildet. Die fluidangetriebene Turbine ist gleichermaßen bevorzugt als Ringflüssigkeitsturbine ausgebildet. Es können aber natürlich auch andere Typen von Kompressoren/Turbinen eingesetzt werden. Hierbei sei beispielhaft der Schraubenkompressor oder Scroll-Kompressoren genannt.
In dem dritten Medienkreislauf kann mindestens ein Rückschlagventil angeordnet sein.
Parallel zum ersten Ast des dritten Medienkreislaufs kann ein parallel verlaufender Fluid-Weg angeordnet sein, der mit dem ersten Ast vor dem Fluid-Kompressor und hinter dem Fluid-Kompressor fluidisch verbunden ist. In dem zum ersten Ast des dritten Medienkreislaufs parallel verlaufenden Fluid-Weg kann weiterhin ein von einem Motor angetriebener zweiter Fluid-Kompressor angeordnet sein; auch dieser kann als Ringflüssigkeitskompressor ausgebildet sein.
In dem zum ersten Ast des dritten Medienkreislaufs parallel verlaufenden Fluid-Weg kann ferner mindestens ein Rückschlagventil angeordnet sein. Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass in dem zum ersten Ast des dritten Medienkreislaufs parallel verlaufenden Fluid-Weg zwei Rückschlagventile angeordnet sind, wobei in Fluidströmungsrichtung vor und hinter dem zweiten Fluid-Kompressor je ein Rückschlagventil angeordnet ist.
Die Rückschlagventile im ersten Ast des dritten Medienkreislaufs und im parallel verlaufenden Fluid-Weg sind dabei bevorzugt gleichgerichtet.
Demgemäß ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Volumenänderungsarbeit, die bislang an der Drossel im zweiten Ast des dritten Medienkreislaufs infolge des Drosselvorgangs anfiel, zumindest teilweise genutzt und durch eine Fluid-Turbine aufgenommen wird. Durch die mechanische Verbindung zwischen dieser Turbine und dem Motor wird die Energie zum Druckaufbau im ersten Ast des dritten Medienkreislaufs genutzt.
Die eingesetzten Motoren können drehzahlgeregelt sein. Als Motoren können jegliche Art von Motoren (Elektromotoren, Gasmotoren, Benzinmotoren etc.) eingesetzt werden.
Der sich im dritten Medienkreislauf befindliche Fluid-Kompressor und die fluidangetriebene Turbine können baugleich als Ringflüssigkeitskompressoren ausgeführt sein, wobei die Turbine wirkungsmäßig umgekehrt arbeitet, d. h. durch Aufnahme der Fluidbewegung mechanische Energie bereitstellt. Die Verbindung zwischen dem Fluid-Kompressor und der fluidangetriebenen Turbine per Welle ist demgemäß so vorgesehen, dass die Drehrichtung gespiegelt ist. In der Welle, die den Fluid-Kompressor und die fluidangetriebene Turbine verbindet, können Kupplung und weitere mechanische Komponenten angeordnet sein.
Durch die Kopplung von Kompressor und Turbine über die Welle samt Motor kann ein Teil der vom Kompressor benötigten Energie von der Turbine zur Verfügung gestellt werden, so dass die benötigte Motorleistung geringer ist. Demgemäß fällt der Wirkungsgrad der gesamten Anlage höher aus. Die Motorleistung kann also auf ein niedrigeres Niveau reduziert werden; die Arbeitszahl der Wärmepumpe erhöht sich entsprechend.
Zur Anlaufhilfe oder auch für den Dauerbetrieb wird bevorzugt ein parallel zum einen Ast des dritten Medienkreislaufs angeordneter separater Kleinkompressor (zweiter Fluid-Kompressor) mit Motorantrieb geschaltet. Dieser Motor kann drehzahl- und zeitgesteuert sein. Somit kann er die Regelung des Gesamtsystems unterstützen. Dies ist gegebenenfalls sinnvoll und notwendig, um die gekoppelte Bewegung zwischen dem (ersten) Fluidkompressor und der fluidangetriebenen Turbine über die Welle zuzulassen und einen ordnungsgemäßen Betrieb sicherzustellen.
Alternativ oder additiv kann die Regelung des Gesamtsystems auch dadurch unterstützt bzw. bewerkstelligt werden, dass Medium im Bereich des (ersten) Fluid-Kompressors und/oder im Bereich der fluidangetriebenen Turbine entnommen und wieder zugeführt wird.
Um Rückströmungen zu vermeiden, sind an verschiedenen Stellen des dritten Medienkreislaufs Rückschlagventile (Rückschlagklappen) angeordnet, die federvorgespannt sein können.
Die Kompressoren bzw. die Turbine sind dabei nicht zwingend gleich groß ausgebildet. Es kann vielmehr sinnvoll sein, mit unterschiedlichen Baugrößen zu arbeiten.
Die Erfindung sieht demgemäß vor, die Volumenänderungsenergie oder zumindest ein Teil derselben, die über das sonst übliche Expansionsventil (Drossel) für den eigenen Prozess verloren geht, über eine als Antrieb genutzte fluidangetriebene Turbine (bevorzugt ausgebildet als Ringflüssigkeitskompressor) zu nutzen und über eine Welle den Fluidkompressor teilweise anzutreiben. Der Wirkungsgrad der Gesamtanlage kann hiermit verbessert werden. Die Volumenänderungsenergie, die für die Verdichtung beim Wärmetauschprozess eingebracht wird, wird somit bei der Entspannung des Fluids für den eigenen Prozess zumindest teilweise wieder gewonnen bzw. genutzt.
Um einen anfänglichen oder für den Betrieb notwendigen Druckaufbau zu gewährleisten, kann in einem parallelen Ast ein kleiner Kompressor zum Einsatz kommen.
Um eine optimale Auswertung und Kontrolle des Prozesses des Wärmepumpens zu haben, kann eine Überwachungssoftware zum Einsatz kommen, über die die Prozessparameter ständig ausgelesen werden können; diese Daten können dauerhaft erfasst werden. Es ist auch möglich, dass die Software den Betrieb der Anlage ständig optimiert, d. h. im optimalen Zustand hält.
Die Temperaturen und Drücke an den relevanten Stellen bzw. in den relevanten Bereichen des Anlage können mit entsprechenden Sensoren erfasst werden.
Hinsichtlich der Arbeitszahlen und Wirkungsgrade der Wärmepumpen sei angemerkt, dass Temperaturdifferenzen im eingesetzten Fluid von bis zu 100 K vorliegen können, abhängig vom verwendeten Fluid.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Konzept kann – wie nachfolgend beschrieben – genutzt werden, um beispielsweise ein Gebäude zu heizen. Es kann aber generell auch eingesetzt werden, um eine Kühlleistung zu erzeugen, d. h. um mittels des einen Wärmetauschers eine Abkühlung herzustellen (nach Art eines Kühlschranks bzw. einer Klimaanlage).
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die einzige Figur zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Wärmepumpenanlage.
In der Figur ist eine Wärmepumpenanlage 1 dargestellt. Diese umfasst einen ersten Wärmetauscher 2, der Bestandteil eines ersten geschlossenen Medienkreislaufs 3 ist. Dieser erste Medienkreislauf 3 durchläuft ein zu kühlende Medium 4, das Wasser, Erdreich oder Luft sein kann. Eine Umwälzpumpe 19 pumpt ein Medium im ersten Medienkreislauf 3 um, so dass am ersten Wärmetauscher 2 ein Wärmeaustausch stattfinden kann.
Die Wärmepumpenanlage 1 hat weiterhin einen zweiten Wärmetauscher 5, der der Bestandteil eines zweiten geschlossenen Medienkreislaufs 6 ist. Dieser zweite Medienkreislauf 6 durchläuft ein zu erwärmendes Medium 7, das durch eine Heizung laufen kann, um an dieser Wärme abzugeben. Eine Umwälzpumpe 20 pumpt ein Medium im zweiten Medienkreislauf 6 um, so dass am zweiten Wärmetauscher 5 ein Wärmeaustausch stattfinden kann.
Die beiden Wärmetauscher 2 und 5 werden von einem dritten geschlossenen Medienkreislauf 8 durchlaufen, in dem ein geeignetes Fluid enthalten ist (z. B. Propan). Das Fluid wird über einen ersten Ast 8' des dritten Medienkreislaufs 8 in der Figur von links nach rechts gefördert und in einem zweiten Ast 8'' zurück von rechts nach links. Das Umpumpen des Mediums im dritten Medienkreislauf erfolgt mittels eines Fluid-Kompressors 10 in Form einer Ringflüssigkeitspumpe, wobei der Kompressor 10 von einem Motor 9 angetrieben ist.
Der Kompressor 10 ist in dem ersten Ast 8' angeordnet. Vorgesehen ist nun, dass in dem zweiten Ast 8'' des dritten Medienkreislaufs 8 eine fluidangetriebene Turbine 11 angeordnet ist. Diese sorgt für einen Druckabbau des umgepumpten Fluid, wofür statt der bislang hier eingesetzten klassischen Drossel die Turbine eingesetzt wird. Die von dieser gewonnene mechanische Arbeit wird über eine Welle 12 an den Fluid-Kompressor 10 abgegeben. Demgemäß steht der Motor 9 über die gemeinsame Welle 12 mit dem Fluid-Kompressor 10 und der fluidangetriebenen Turbine 11 in Form einer Ringflüssigkeitsturbine in Drehverbindung.
Der erste Ast 8' des dritten Medienkreislaufs 8 weist einen parallel verlaufenden Fluid-Weg 14 auf. In diesem ist ein zweiter Fluid Kompressor 16 in Form eines Ringflüssigkeitskompressors angeordnet, der von einem Motor 15 angetrieben wird. Über den Fluid-Weg 14 kann parallel zum Ast 8' Fluid gepumpt werden.
Rückschlagventile 13, 17 und 18 sorgen dafür, dass das Fluid im dritten Medienkreislauf 8 nur in die gewünschte Richtung fließen kann.
Vorgesehen kann auch werden, dass im Bereich des dritten Medienkreislaufs – bevorzugt zwischen dem zweiten Wärmetauscher 5 und der fluidangetriebenen Turbine 11 Magnetventile angeordnet werden, um insbesondere beim Anlauf der Anlage eine vorübergehende Absperrung der Leitungen zu ermöglichen.
Die Grundidee der vorliegenden Erfindung stellt also darauf ab, dass zumindest ein Teil des Dissipationsenergie, die bislang an einer Drossel umgesetzt wird, per fluidangetriebener Turbine als mechanische Arbeit gewonnen und für den Antrieb des Fluid-Kompressors genutzt wird.
Bezugszeichenliste

1: Wärmepumpenanlage
2: erster Wärmetauscher
3: erster geschlossener Medienkreislauf
4: zu kühlendes Medium
5: zweiter Wärmetauscher
6: zweiter geschlossener Medienkreislauf
7: zu erwärmendes Medium
8: dritter geschlossener Medienkreislauf
8': erster Ast des dritten Medienkreislaufs
8'': zweiter Ast des dritten Medienkreislaufs
9: Motor
10: Fluid-Kompressor (Ringflüssigkeitskompressor)
11: fluidangetriebene Turbine (Ringflüssigkeitsturbine)
12: Welle
13: Rückschlagventil
14: parallel verlaufender Fluid-Weg
15: Motor
16: zweiter Fluid-Kompressor (Ringflüssigkeitskompressor)
17: Rückschlagventil
18: Rückschlagventil
19: Umwälzpumpe
20: Umwälzpumpe

Claims

Wärmepumpenanlage (1), umfassend – einen ersten Wärmetauscher (2), der einen ersten geschlossenen Medienkreislauf (3) mit einem zu kühlenden Medium (4) aufweist, – einen zweiten Wärmetauscher (5), der einen zweiten geschlossenen Medienkreislauf (6) mit einem zu erwärmenden Medium (7) aufweist, – einen dritten geschlossenen Medienkreislauf (8), der zwischen dem ersten Wärmetauscher (2) und dem zweiten Wärmetauscher (5) wirksam angeordnet ist, wobei in einem ersten Ast (8') des dritten Medienkreislaufs (8) ein von einem Motor (9) angetriebener Fluid-Kompressor (10) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Ast (8'') des dritten Medienkreislaufs (8) eine fluidangetriebene Turbine (11) angeordnet ist, die mit dem Fluid-Kompressor (10) und dem Motor (9) über eine gemeinsame Welle (12) in Drehverbindung steht.
Wärmepumpenanlage (1), umfassend – einen ersten Wärmetauscher (2), der einen ersten geschlossenen Medienkreislauf (3) mit einem zu kühlenden Medium (4) aufweist, – einen zweiten Wärmetauscher (5), der einen zweiten geschlossenen Medienkreislauf (6) mit einem zu erwärmenden Medium (7) aufweist, – einen dritten geschlossenen Medienkreislauf (8), der zwischen dem ersten Wärmetauscher (2) und dem zweiten Wärmetauscher (5) wirksam angeordnet ist, wobei in einem ersten Ast (8') des dritten Medienkreislaufs (8) ein von einem Motor (9) angetriebener Fluid-Kompressor (10) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Ast (8'') des dritten Medienkreislaufs (8) eine fluidangetriebene Turbine (11) angeordnet ist, die einen elektrischen Generator antreibt, wobei dieser mit dem Motor (9) in elektrischer Verbindung steht.
Wärmepumpenanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluid-Kompressor (10) als Ringflüssigkeitskompressor ausgebildet ist.
Wärmepumpenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die fluidangetriebene Turbine (11) als Ringflüssigkeitsturbine ausgebildet ist.
Wärmepumpenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem dritten Medienkreislauf (8) mindestens ein Rückschlagventil (13) angeordnet ist.
Wärmepumpenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum ersten Ast (8') des dritten Medienkreislaufs (8) ein parallel verlaufender Fluid-Weg (14) angeordnet ist, der mit dem ersten Ast (8') vor dem Fluid-Kompressor (10) und hinter dem Fluid-Kompressor (10) fluidisch verbunden ist.
Wärmepumpenanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zum ersten Ast (8') des dritten Medienkreislaufs (8) parallel verlaufenden Fluid-Weg (14) ein von einem Motor (15) angetriebener zweiter Fluid-Kompressor (16) angeordnet ist.
Wärmepumpenanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Fluid-Kompressor (16) als Ringflüssigkeitskompressor ausgebildet ist.
Wärmepumpenanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zum ersten Ast (8') des dritten Medienkreislaufs (8) parallel verlaufenden Fluid-Weg (14) mindestens ein Rückschlagventil (17, 18) angeordnet ist.
Wärmepumpenanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zum ersten Ast (8') des dritten Medienkreislaufs (8) parallel verlaufenden Fluid-Weg (14) zwei Rückschlagventile (17, 18) angeordnet sind, wobei in Fluidströmungsrichtung vor und hinter dem zweiten Fluid-Kompressor (16) je ein Rückschlagventil (17, 18) angeordnet ist.