DE102016007949B4

DE102016007949B4 - Wärmepumpenanlage

Info

Publication number: DE102016007949B4
Application number: DE102016007949.5A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-06-28
Filing date: 2016-06-28
Publication date: 2022-02-17
Anticipated expiration: 2036-06-29
Also published as: DE102016007949A1

Abstract

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), und 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,- wobei die fluidangetriebene Turbine (11), der Fluid-Kompressor (10) und der Motor (9) kompakt in ein Bauteil integriert sind und das Bauteil in einem gekapselten, isolierten und bis auf Öffnungen für Anschlüsse geschlossenen Gehäuse (21) kompakt verbaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass die fluidangetriebene Turbine (11) als eine Ringflüssigkeitsturbine mit Ringflüssigkeitsregelung zum Einstellen einer Drosselwirkung der Ringflüssigkeitsturbine ausgebildet ist.

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.
In einem zweiten Ast des dritten Medienkreislaufs ist eine fluidangetriebene Turbine angeordnet ist, die mit dem Fluid-Kompressor und dem Motor über eine gemeinsame Welle in Drehverbindung steht. Diese Bauteile befinden sich in einem Gehäuse, welches Öffnungen für verschiedene Anschlüsse hat.
Die Turbine ist spiegelgleich zum Kompressor angekoppelt, im geschlossenen Gehäuse. Bei der Turbine kann entweder durch die Ringflüssigkeit oder durch die Scroll-Eigenschaft das Kältemittel, wie bei einer normalen Turbine, über Schaufelspalte oder ähnlichen nicht ungenutzt entweichen.
Die Turbine ist so aufgebaut, das die entstehenden Kräfte sich gegenseitig aufheben. Wie beim U-Rohr, wo nur noch die Energie Differenz der Antriebsenergie vom Verdichter und der Rückgewinnungsenergie von der Turbine vom Motor ausgeglichen wird.
Hierdurch ergibt sich eine wesentlich kleinere Energieaufnahme, die der Motor benötigt, dieses wiederum verursacht auch wesentlich geringere Wärmeabgabe (Verluste) beim Motor, so dass sich durch diese kompakte Bauweise die Arbeitszahl der Wärmepumpe erhöht.
Dies geht mit dem Umstand einher, dass an der Drossel Energie dissipiert, d. h. in Wärme umgewandelt wird. Diese Wirkungsgradverluste reduzieren sich hierdurch.
Eine Wärmepumpenanlage der gattungsgemäßen Art ist aus der DE 10 2013 013 734 A1 bekannt (ohne kompakten Gehäuse), und aus der deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenkennzeichen 10 2016 003 428.9 mit Ringflüssigkeitsregelung statt Ausgleichsregelung über zusätzlichen Verdichter im Bypass.
Aus der WO 2003/ 098 128 A1 ist eine Kältemaschine bekannt, bei der Turbine und Elektromotor im Gehäuse des Verdichters eingebaut sind.
Bei der US 5 467 613 A sind Turbine, Motor und Verdichter in miteinander verbundenen Gehäuseteilen angeordnet.
Aus der DE 696 00 916 T2 ist ein Klimasystem bekannt, das einen Flüssigringkompressor, eine Flüssigringturbine, einen Motor und einen Wärmetaucher umfasst, was innerhalb einer zu konditionierenden Umhüllung angeordnet ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmepumpenanlage der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass die Arbeitszahl der Wärmepumpe verbessert wird.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs gelöst.
Die Turbine ist so aufgebaut, das die entstehenden Kräfte sich gegenseitig aufheben. Wie beim U-Rohr, wo nur noch die Energie-Differenz der Antriebsenergie vom Verdichter und der Rückgewinnungsenergie von der Turbine vom Motor ausgeglichen wird.
Hierdurch ergibt sich eine kleinere Energieaufnahme, die der Motor benötigt, dieses wiederum verursacht auch geringere Verluste beim Motor, so dass sich durch diese kompakte Bauweise die Arbeitszahl der Wärmepumpe erhöht. Bei der Turbine kann entweder durch die Ringflüssigkeit oder durch die Scroll-Eigenschaft das Kältemittel, wie bei einer normalen Turbine, über Schaufelspalte oder ähnlichen nicht ohne Drehbewegung zu leisten entweichen.
Die Steuerung ist wie bei den bereits vom Anmelder eingereichten Patentansprüchen für Wärmepumpenanlage der gattungsgemäßen Art aus der DE 10 2013 013 734 A1 (ohne kompakten Gehäuse), und der deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenkennzeichen 10 2016 003 428.9 mit Ringflüssigkeitsregelung zum Einstellen einer Drosselwirkung der Ringflüssigkeitsturbine statt Ausgleichsregelung über zusätzlichen Verdichter im Bypass möglich.
Die sonst durch die Drossel (Expansionsventil) entstehenden Verluste werden hier durch die (in einer Welle gekoppelten Motor und Kompressor und Turbine) Turbine direkt zum Antrieb des Kompressors genutzt. Die notwendige Energie für den Motor und auch dessen Verluste verringern sich so.
Dies wird durch das kompakte isolierte Gehäuse noch verbessert.
Die Kraft des Druckaufbaus kann mit der Gegenkraft des Druckabbaus kompensiert werden, so dass der Antriebsmotor nur noch Verluste (Reibungsverluste, usw.) ausgleichen und ansonsten zu Beginn des Prozesses den Druck aufbauen muss (eventueller Start; Druckaufbau durch Bypass).
Die Drücke werden ähnlich wie bei ungleichen Höhen in kommunizierenden Röhren durch den gegenseitigen Druckausgleich weitgehend kompensiert; der drehzahlgeregelte Antriebsmotor muss folglich nur noch eine geringere Leistung aufbringen (so hat auch der Motor hier geringere Verluste z. B. weniger Wärme dissipiert).
Nur durch die „mechanischen Verbindung“ zwischen fluidangetriebener Turbine und Fluid-Kompressor kann die Energie am Motor und die zusätzlichen Verluste durch den Motorantrieb eingespart werden.
Damit kann insgesamt die Arbeitszahl der Wärmepumpe weiter verbessert werden.
Demgemäß ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass gezielt durch die gekapselte Bauweise, die sonst an der Drossel (Expansionsventil) entstehenden Verluste, durch die gespiegelte Turbine zur Wirkungsgradverbesserung beitragen. Diese Energie wurde vorher nicht zum Antrieb verwertet.
Die (Ringflüssigkeit-Scroll oder ähnliche) Turbine arbeitet wirkungsmäßig umgekehrt als der (Ringflüssigkeit-Scroll oder ähnlicher) Kompressor, d. h. durch Aufnahme der Fluidbewegung wird 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 kompakte Bauweise (in einer Einheit gekoppelten Motor und Kompressor und Turbine) wird dies noch verbessert.
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.
Der Kompressor und 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 zu nutzen und über eine Welle den Fluidkompressor teilweise anzutreiben (ähnlich wie bei Wasserkreisläufen, wo sich unterschiedliche Höhen kommunizierenden Röhren sich hinsichtlich des Druckverhaltens selbst kompensieren). 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. Dies wird durch die kompakte Bauweise alle 3 Komponenten in einen Bauteil (gekoppelten Motor und Kompressor und Turbine) noch verbessert.
Die Ringflüssigkeitsturbine arbeitet wirkungsmäßig umgekehrt als der Ringflüssigkeitskompressor, d. h. durch Aufnahme der Fluidbewegung wird 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.
Bei der Turbine kann entweder durch die Ringflüssigkeit oder durch die Scroll-Eigenschaft das Kältemittel, wie bei einer normalen Turbine, über Schaufelspalte oder ähnlichen nicht verloren gehen.
Der Kompressor und die Turbine sind dabei nicht zwingend gleich groß ausgebildet. Es kann vielmehr sinnvoll sein, mit unterschiedlichen Baugrößen zu arbeiten.
Um eine optimale Auswertung und Kontrolle des Prozesses des Wärmepumpens zu haben, kann eine Überwachungssoftware zum Einsatz kommen, über die die Prozessparameter ständig ausgelesen und optimiert 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 der Anlage können mit entsprechenden Sensoren und Mess-Aufnahmen erfasst werden.
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.
Die gestrichelte Linie (21) erfasst das kompakte Bauteil gekoppelten Motor, Kompressor und Turbine.
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 durchlauft ein zu kühlende Medium 4, das Wasser, Erdreich oder Luft sein kann. Eine Umwälzpumpe 19 pumpt ein Medium im ersten Medienkreislauf 3 um, 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 (in diesem ist ein Rückschlagventil 13 angeordnet). Vorgesehen ist weiterhin, dass in dem zweiten Ast 8" des dritten Medienkreislaufs 8 eine fluidangetriebene Turbine 11 in Form einer Ringflüssigkeitsturbine angeordnet ist. Diese sorgt für einen Druckabbau des umgepumpten Fluid, wofür statt der bislang hier eingesetzten klassischen Drossel die Turbine eingesetzt wird.
Die Turbine ist spiegelgleich zum Kompressor angekoppelt, im geschlossenen Gehäuse. Bei der Turbine kann entweder durch die Ringflüssigkeit oder durch die Scroll-Eigenschaft das Kältemittel, wie bei einer normalen Turbine, nicht über Schaufelspalte oder ähnlichen verloren gehen.
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 Ringflüssigkeitsturbine 11 in Drehverbindung.
Die Grundidee der vorliegenden Erfindung stellt also darauf ab, dass zumindest ein Teil der Dissipationsenergie, die bislang an einer Drossel umgesetzt wird, per fluidangetriebener Turbine als mechanische Arbeit gewonnen und für den Antrieb des Fluid-Kompressors genutzt wird. Zusätzlich werden die Verluste vom Antriebsmotor geringer, da dieser einen geringeren Energie-Aufwand zum Antrieb benötigt.
Dies wird durch die kompakte Bauweise noch verstärkt.
Der geringere Wärmeeintrag der kleineren Motorleistung wird über den Wärmetauscher kompensiert.
Bezugszeichenliste
Kompaktes Bauteil gestrichelt gekennzeichnet (gekoppelten Motor, Kompressor und Turbine).

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
21: Gekapseltes isoliertes Gehäuse mit Zu - und Abgängen

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), und 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, - wobei die fluidangetriebene Turbine (11), der Fluid-Kompressor (10) und der Motor (9) kompakt in ein Bauteil integriert sind und das Bauteil in einem gekapselten, isolierten und bis auf Öffnungen für Anschlüsse geschlossenen Gehäuse (21) kompakt verbaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass die fluidangetriebene Turbine (11) als eine Ringflüssigkeitsturbine mit Ringflüssigkeitsregelung zum Einstellen einer Drosselwirkung der Ringflüssigkeitsturbine ausgebildet ist.
Wärmepumpenanlage (1) nach Anspruch 1, 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) für Steuerungszwecke fluidisch verbunden ist.
Wärmepumpenanlage (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zum ersten Ast (8') des dritten Medienkreislaufs (8) parallel verlaufenden Fluid-Weg (14) ein von einem zweiten Motor (15) angetriebener zweiter Fluid-Kompressor (16) angeordnet ist.
Wärmepumpenanlage (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Fluid-Kompressor (16) als Ringflüssigkeits- oder Scroll-Kompressor ausgebildet ist.
Wärmepumpenanlage (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, 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, insbesondere sind in Fluidströmungsrichtung vor und hinter dem zweiten Fluid-Kompressor (16) je ein Rückschlagventil (17, 18) angeordnet.
Wärmepumpenanlage (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückschlagventile (13, 17, 18) im ersten Ast (8') des dritten Medienkreislaufs (8) und im parallel verlaufenden Fluid-Weg (14) gleichgerichtet sind.
Wärmepumpenanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Wärmepumpenanlage (1) eine Regelung umfasst, bei der an verschiedenen Messpunkten in allen Medienkreisläufen (3, 6, 8) Prozessparameter erfasst werden, hierüber die Arbeitszahl in Zeitabständen, insbesondere alle 5 bis 10 Sekunden, ermittelt und über eine Software leitungsmäßig durch Regeleingriffe optimiert wird, wobei gleichzeitig die Einschalthäufigkeit der Wärmepumpe mit optimiert wird.
Wärmepumpenanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem dritten Medienkreislauf (8) mindestens ein Rückschlagventil (13) angeordnet ist.