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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Enteisung von Wärmetauschern von Luft/Wasser-Wärmepumpen, insbesondere von Wärmepumpen, die der Umgebungsluft Wärme entnehmen oder diese an sie abgeben, und die außerhalb von Gebäuden aufgestellt sind. Der Begriff der Wärmepumpe wird hierbei umfassend für Geräte verwendet, in denen ein linksdrehender Clausius-Rankine-Kreisprozess ablaufen soll, wobei entweder Nutzwärme oder Nutzkälte oder beides gleichzeitig erzeugt wird. Auch kann eine solche Wärmepumpe gestuft ausgeführt sein, um Heizwärme bei einem niedrigen Temperaturniveau, z.B. bei 28 Grad Celsius für eine Fußbodenheizung, und Brauchwasser bei einem höheren Temperaturniveau, z.B. bei 70 Grad Celsius bereitzustellen. Hierbei entzieht die Wärmepumpe einem kälteren Medium Wärme und transformiert sie mittels elektrischer Energie auf ein höheres Temperaturniveau.
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Beim Entzug dieser Wärme kann jeweils auch Kälte erzeugt werden. Auch die Kälte kann bei verschiedenen Temperaturen benötigt werden, für die Klimatisierung beispielsweise bei 14 Grad Celsius und für die Lebensmittelkühlung auch 4 Grad Celsius oder für Gefrieranwendungen noch tiefer. In manchen Bauarten kann zwischen Heizbetrieb und Klimatisierung umgeschaltet, in anderen können beide Betriebsarten parallel betrieben werden.
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Derartige Wärmepumpen besitzen mindestens einen geregelten Kompressor bzw. Verdichter, mindestens ein geregeltes elektronisches Expansionsventil, mindestens einen Kondensator und mindestens einen Verdampfer. Sofern mehrere Temperaturstufen bedient werden sollen, können auch gestufte Kompressoren zum Einsatz kommen. Diese Einrichtungen können ebenfalls in der Außeneinheit untergebracht sein, sie können aber auch im Innenbereich eines Gebäudes aufgestellt sein.
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Die Entnahme oder Abgabe von Wärmeenergie an die Außenluft kann dabei auf unterschiedliche Weise erfolgen, wobei in der Regel ein Lüfter zum Einsatz kommt, der ebenso wie der Kompressor in neueren Bauformen meist drehzahlgeregelt ist. Im Heizbetrieb wird dabei der Verdampfer von Umgebungsluft durchströmt, im Klimatisierungsbetrieb der Kondensator. Es können je nach Bauart auch Wärmeträgerfluide zwischen den Arbeitsfluidumlauf und die Wärmeaufnahmestelle aus der Umwelt bzw. die Wärmeabgabestelle in die Umwelt die Aufgabe des Wärmetransports übernehmen, wenn größere Distanzen zu überwinden sind oder gefährliche Arbeitsfluide zum Einsatz kommen, die einer gesondert gesicherten Abschirmung bedürfen. Typische Wärmeträgerfluide sind Salzsole und Wasser, als Arbeitsfluide wurden in der Vergangenheit fluorierte Kohlenwasserstoffe, sogenannte Sicherheitskältemittel verwendet, die inzwischen durch Propan, Ammoniak und andere Arbeitsfluide ersetzt werden.
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Bei winterlichen Temperaturen wird der Wärmetauscher in der Außeneinheit als Verdampfer genutzt, da die Wärmepumpe im Heizbetrieb läuft. Damit die Umgebungsluft auch bei Temperaturen unter 5 Grad Celsius oder sogar bei Minusgraden als Wärmequelle genutzt werden kann, muss das verwendete Kältemittel deutlich kälter sein als die Außenluft, und der Verdampfer weist entsprechend auch eine Temperatur unter dem Gefrierpunkt auf. Das hat zur Folge, dass die in der Luft enthaltene Feuchtigkeit als kristallines Eis auf der Wärmetauscheroberfläche des Verdampfers ausfällt. Es bilden sich dicke Eispanzerschichten, was zu einer beträchtlichen Leistungsminderung bis hin zur Beschädigung der Wärmepumpe führen würde, wenn nicht Gegenmaßnahmen ergriffen würden.
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Derartige Gegenmaßnahmen sind seit langem bekannt. Hierbei handelt es sich um eingebrachte elektrische Heizstäbe, eine Beaufschlagung mit Heißgas, das Abtauen mit Heizungswasser, die Verwendung eines Warmwasser-Pufferspeichers und verschiedene Varianten der phasenweisen Prozessumkehr.
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So beschreibt die
DE 10 2006 013 587 B4 ein System, bei dem eine Kältemittelkreis-Umkehr vorgenommen wird, sobald ein Sensor eine Vereisung festgestellt hat, und das Kältemittel vom Verdichter vorbei an einem Abtaudruckwächter zum Verdampfer geführt wird. Das Kältemittel, das dabei vom Verdichter zum Verdampfer und nicht zum Kondensator geführt wird, steht natürlich zum Heizen der Wohneinheiten nicht mehr zur Verfügung, sondern beheizt stattdessen den Verdampfer.
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Die
DE 10 2016 002 426 A1 beschreibt ein System, bei dem ein Wasserbehälter von der Wärmepumpe erhitzt wird, wobei ein elektrisches Heizelement unterstützend zum Einsatz kommt. Im Falle der Vereisungsneigung wird ein zyklischer Betrieb des Abtauens mithilfe des erhitzten Wassers und dem Wärmepumpenbetrieb unter Abzweigung von Wärme für das Wiedererhitzen des Wassers im Wasserbehälter durchgeführt.
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Allen diesen Enteisungsmethoden ist gemein, dass sie zur Enteisung die Wärmeenergie immer genau dann verbrauchen, wenn sie für die Nutzer am Nötigsten ist und für die Beheizung eingesetzt werden soll. Das führt praktisch dazu, dass entweder große Energiemengen extern bezogen werden müssen, etwa elektrische Energie für Heizstäbe, oder dass die Wärmepumpe mit erheblichen Leistungsreserven ausgelegt werden muss, damit auch während der zyklischen Enteisungsphasen und anschließend einsetzenden Wiedervereisung noch genügend Nutzwärme zur Verfügung gestellt werden kann.
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Die Auslegung mit solch großen Leistungsreserven ist aber nicht nur aufgrund der höheren Anschaffungs- und Installationskosten nachteilig, sondern wirkt sich auch auf den Normalbetrieb aus, da Wärmepumpen während des Jahres meist im Teillastbetrieb laufen und im unteren Teillastbetrieb Probleme mit dem Kompressor-Envelope sowie mit dem geregelten Expansionsventil auftreten. Legt man die Wärmepumpe mit großen Reserven aus, wird der untere Teillastbereich umso eher erreicht und es droht eine Unterschreitung, und die Jahresarbeitszahl wie auch die übrigen Effizienzkennwerte fallen deutlich.
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Die Aufgabe der Erfindung ist daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Enteisung bereitzustellen, welches die beschriebenen Nachteile nicht mehr aufweist und energiesparend ist.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels einer Vorrichtung und eines Verfahrens zur Enteisung mittels der Aufbringung eines geeigneten Enteisungsmittels auf die Wärmetauscherflächen des Verdampfers.
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Derartige Enteisungsmittel sind auf dem Gebiet der Luftfahrttechnik bekannt und bewährt. So beschreibt der Artikel „Von der Landebahn auf die Quartierstrasse?, kommunalmagazin.ch Nr. 4 August/September 2012, Seiten 22-23“ den erfolgreichen Einsatz organischer Salze von Landepisten. Als geeignete organische Salze werden vor allem Kaliumformiat, Natriumformiat, Natriumacetat, und Kaliumacetat erwähnt.
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Die
EP 2 718 387 B1 beschreibt eine Enteisungszusammensetzung, die Molasse und natürliches Protein enthält, wobei auch die oben genannten Salze mitenthalten sein können, vorzugsweise aber ein Chloridsalz zur Anwendung kommen soll.
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Die
EP 2 725 079 A1 beschreibt ein wässriges Enteisungsmittel mit einem ionischen und einem nichtionischen Bestandteil, wobei der ionische Bestandteil die Anionen Lactat und Acetat und das Kation Natrium umfasst und der nichtionische Bestandteil 1,2-Propandiol enthält. Weitere Mischungen werden vorgeschlagen.
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Aufgrund eines technischen Vorurteils wurde ihr Einsatz bei Wärmepumpen jedoch nie erwogen. So wurden betriebliche Probleme, Verschmutzungen, Verkrustungen und Korrosionsneigung vermutet, außerdem wurde befürchtet, dass der Luftstrom, den der Lüfter erzeugt, um den Verdampfer anzuströmen, jegliches Enteisungsmittel ins Freie vernebeln könnte und somit ein Umwelt- und Akzeptanzproblem erzeugen würde. Auch die Vorstellung, unter winterlichen Verhältnissen in kurzen Abständen teures Enteisungsmittel manuell nachfüllen oder gar stündlich die Witterungsänderungen berücksichtigen zu müssen, wie es auf Flugplätzen üblich ist, trug zum technischen Vorurteil bei.
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Die Aufgabe wird gelöst mittels einer Enteisungsvorrichtung für die Außeneinheit einer Wärmepumpe, die mindestens einen luftdurchströmten Verdampfer und weitere Teile einer Wärmepumpe aufweist, wobei die Enteisungsvorrichtung
- - einen Behälter für flüssiges Enteisungsmittel,
- - eine Enteisungsmittelpumpe zur Förderung von Enteisungsmittel,
- - Aufgabevorrichtungen für Enteisungsmittel auf den Verdampferwärmetauscher, und
- - verbindende Rohrleitungen und Regelarmaturen
aufweist.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, dass unterhalb des Verdampferwärmetauschers eine Auffangvorrichtung angeordnet ist. In weiteren Ausgestaltungen wird vorgesehen, dass von der Auffangvorrichtung eine Fördereinrichtung zu den Aufgabevorrichtungen für Enteisungsmittel auf den Verdampferwärmetauscher führt. In dieser Fördereinrichtung kann ein Wasserabscheider für flüssiges Wasser vorgesehen werden. Der Wasserabscheider kann als Membrantrennungsapparat ausgeführt sein. Eine solche Option eines Wasserabscheiders ist vor allem dann sinnvoll, wenn ein Enteisungsmittel verwendet wird, welches empfindlich auf sich anreicherndes Kondenswasser reagiert und das Enteisungsmittel in einem Kreislauf betrieben werden soll.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung betreffen die Aufgabevorrichtungen für Enteisungsmittel auf den Verdampferwärmetauscher. Hier kann die Aufgabe mittels Düsen erfolgen, die stromaufwärts der Luftströmung das flüssige Enteisungsmittel auf die Oberfläche, in der Regel auf die Lamellen Verdampferwärmetauschers aufsprühen. Zusätzlich kann auch eine weitere Aufgabe von flüssigem Enteisungsmittel mittels Düsen auf der stromabwärts der Luftströmung gewandten Seite vorgesehen werden. Die Düsen sind dabei vorzugsweise in horizontalen Rohren mit Öffnungen angeordnet, die oberhalb des Verdampferwärmetauschers liegen und sie düsen in Abwärtsrichtung, im wesentlichen vertikal auf die Wärmetauscherfläche.
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Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Enteisungsverfahren unter Verwendung der oben beschriebenen Enteisungsvorrichtung. Hierbei wird vorgesehen, dass zunächst durch geeignete Detektionsvorrichtungen ein Signal zur Betätigung der Enteisungsvorrichtung gegeben wird. Geeignete Detektionsvorrichtungen können Temperaturmessstellen und Feuchtemessungen sein, aus denen die Tendenz zu Eisbildung auf der kalten Wärmetauscheroberfläche ermittelt wird, oder auch Messungen des Wärmedurchgangs durch den Wärmetauscher, der im Falle von Vereisung geringer wird. Das Signal könnte auch manuell bzw. per Funk durch den Nutzer oder einen externen Betreiber, der über Wetterdaten verfügt, ausgelöst werden.
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Auf das Signal hin wird der Lüfter, der den Luftstrom durch den Verdampferwärmetauscher fördert, herabgeregelt, damit kein Austrag des Enteisungsmittels aus der Außeneinheit erfolgt. Danach fördert die Enteisungsmittelpumpe das Enteisungsmittel aus dem dafür vorgesehenen Behälter in die Aufgabevorrichtungen, die das Enteisungsmittel auf die Oberfläche verbringen, meistens durch ein Aufdüsen. Das Enteisungsmittel läuft durch die Schwerkraft von selbst an der Oberfläche des Wärmetauscher herab. Optional wird es unten aufgefangen und im Kreislauf wieder auf die Wärmetauscherfläche zurückgegeben. Dieser Vorgang dauert nur wenige Sekunden und der Lüfter kann danach, wenn der Enteisungsvorgang abgeschlossen ist, wieder auf seinen Normaldurchsatz hochgeregelt werden.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird dem Umstand Rechnung getragen, dass beim Enteisen eine große Menge Wasser anfällt. Dieses Wasser wird in der Mischung mit dem Enteisungsmittel aufgefangen und als Kondenswasser abgeführt. Da sie als Mischung mit Enteisungsmittel anfällt, wird optional vorgesehen, das Kondenswasser abzuscheiden und das an Wasser abgereicherte Enteisungsmittel in den Enteisungskreislauf zurückzuführen.
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Die Erfindung umfasst auch die Verwendung geeigneter flüssiger Enteisungsmittel. Solche Enteisungsmittel müssen geruchslos sein und dürfen nicht verdunsten. Ein geeignetes Enteisungsmittel ist eine flüssige, nichtflüchtige ionische Lösung, die auch nichtionische Bestandteile aufweisen kann, und deren ionischer Bestandteil als Kation ein Alkalimetall, etwa Kalium oder Natrium, und als Anion einen Säurerest einer organischen Säure mit ein bis drei zwei Kohlenstoffatomen, etwa Ameisensäure, Essigsäure oder Milchsäure, aufweist. Besonders geeignet ist eine wässrige Kaliumformiatlösung. Ebenfalls geeignet sind die Enteisungsmittel, die in den oben genannten Patentschriften
EP 2 718 387 B1 und
EP 2 725 079 A1 beschrieben sind.
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Die Erfindung wird anhand der 1 bis 3 näher erläutert. Dabei zeigen:
- - 1 eine schematische Darstellung der Enteisungsvorrichtung mit einer Düsenreihe,
- - 2 eine schematische Darstellung der Enteisungsvorrichtung mit zwei Düsenreihen,
- - 3 eine schematische Darstellung der Enteisungsvorrichtung mit zwei Düsenreihen und einer Kreislaufführung.
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Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese beiden Ausführungsbeispiele beschränkt.
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1 zeigt in diesem Beispiel eine Enteisungsvorrichtung für die Außeneinheit 10 einer Wärmepumpe, die einen luftdurchströmten Verdampferwärmetauscher 11, einen Lüfter 3 und eine Aufstellfläche 4 aufweist, wobei die Enteisungsvorrichtung
- - einen Behälter 1 für flüssiges Enteisungsmittel 5,
- - eine Enteisungsmittelpumpe 9 zur Förderung von Enteisungsmittel 5,
- - Düsen als Aufgabevorrichtungen 6 für Enteisungsmittel 7 auf den Verdampferwärmetauscher 11, und
- - verbindende Rohrleitungen 2, 8 und Regelarmaturen
aufweist. Das Enteisungmittel 5 wird dabei von der Pumpe 9 über die Leitung 2 aus dem Behälter 1 entnommen und über die Leitung 8 zu Düsen als Aufgabevorrichtungen 6 gefördert, die es auf die Oberfläche des Verdampferwärmetauschers 11 aufsprühen.
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2 zeigt das gleiche Ausführungsbeispiel wie 1, wobei zusätzlich eine zweite Reihe von Düsen als Aufgabevorrichtungen 6 vorgesehen ist, falls sich auf der Abströmseite des Verdampferwärmetauschers 11 Vereisung zeigt. Diese zweite Düsenreihe muss nur in Sonderfällen betätigt werden, da im Normalfall der herabgeregelte Lüfter 3 während der Aufgabe des Enteisungsmittels 7 auf die Zuströmseite des Verdampferwärmetauschers 11 dafür sorgt, dass das Enteisungsmittel 7 beim Durchströmen auch auf die Abströmseite gelangt. Falls die Detektionseinrichtung aber das Signal zum Betätigen der Enteisungsvorrichtung erst gibt, wenn bereits einige der Lamellen mit Eis zugesetzt sind und dort keine Durchströmung mehr möglich ist, muss auch von der anderen Seite aus eine Enteisung erfolgen, bis alle Luftdurchtrittskanäle des Verdampferwärmetauschers wieder frei sind.
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3 zeigt das gleiche Ausführungsbeispiel wie 2, wobei zusätzlich ein Auffangbehälter 12 für das ablaufende Kondenswasser-Enteisungsmittelgemisch vorgesehen ist. Dieses kann über die Leitung 13 von der Pumpe 9 angesaugt und wieder recykliert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Behälter
- 2
- Leitung
- 3
- Lüfter
- 4
- Aufstellfläche
- 5
- Enteisungsmittel
- 6
- Düse
- 7
- Enteisungsmittel
- 8
- Leitung
- 9
- Pumpe
- 10
- Außeneinheit
- 11
- Verdampferwärmetauscher
- 12
- Auffangbehälter
- 13
- Leitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006013587 B4 [0007]
- DE 102016002426 A1 [0008]
- EP 2718387 B1 [0014, 0023]
- EP 2725079 A1 [0015, 0023]
