DE102019133244A1

DE102019133244A1 - Wärmepumpe mit stabilitätsverbessertem verdichter

Info

Publication number: DE102019133244A1
Application number: DE102019133244.3A
Authority: DE
Inventors: Nicolò Cattania; Roland Klein
Original assignee: Efficient Energy GmbH
Current assignee: Efficient Energy GmbH
Priority date: 2019-12-05
Filing date: 2019-12-05
Publication date: 2021-06-10

Abstract

Wärmepumpe mit einem Verdampfer, einem Verflüssiger und einem Verdichter, der den bei der Verdampfung der im Kreis geführten Arbeitsflüssigkeit entstandenen Dampf (W) verdichtet, so dass sich sein Druck und seine Temperatur erhöhen, und dann den Dampf (W) in den Verflüssiger drückt, wobei der Verdichter einen axial ansaugenden und radial verdichtenden Impeller (1) aufweist, der in einem Impellergehäuse (2) umläuft und zwischen seiner Vorderkante (3) und seiner Hinterkante (4) beschaufelt ist, wobei das Impellergehäuse (2) stromaufwärts der Vorderkante (3) des Impellers (1) eine Ansaugschürze (5) aufweist, die im Vorfeld der Vorderkante (3) des Impellers (1) einen ringförmigen Saugmund (6) bildet, wobei in der Wand des Impellergehäuses (2) mehrere Strömungskanäle (7) ausgebildet sind, die die Ansaugschürze (5) in deren Längsrichtung durchdringen und mit ihrer ersten Mündung (8) vorzugsweise in der Nähe der Vorderkante (3) des Impellers (1) in den von seiner Beschaufelung unmittelbar überstrichenen Innenwandbereich des Impellergehäuses (2) münden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Nach wie vor arbeiten Wärmepumpen überwiegend mit Verdrängungsverdichtern. Es besteht allerdings zunehmend Bedarf an Wärmepumpen, die nicht länger auf inzwischen fast durchweg als klimaschädlich angesehene oder zumindest bedenklich empfundene Kältemittel angewiesen sind. Um dieses Bedürfnis zu stillen, wurden in jüngerer Zeit Wärmepumpen entwickelt, die mit reinem Wasser als Kältemittel arbeiten. Diese Arbeitsweise erfordert jedoch besondere Verdichter. Typischerweise kommen Radialverdichter im Turbobetrieb zum Einsatz.
Ein Problem ist hierbei, dass sich mit steigender Nenndrehzahl zwar die Leistungsfähigkeit der Radialverdichter erhöht, gleichzeitig aber ihre Teillastfähigkeit abnimmt. Je höher die Nenndrehzahl liegt, desto eher kommt es im Teillastbetrieb zu Instabilitäten, namentlich zu einem Flattern durch kurzzeitigen Strömungsabriss, der starke Druckpulsationen verursacht. Das macht sich nicht nur akustisch störend bemerkbar, sondern kann auch zu ernsthaften Schäden führen, nicht zuletzt zu durch stoßartige Überlast bedingten Ermüdungsbrüchen. Das Ganze ist gerade bei Radialverdichtern in Wärmepumpen ein gravierendes Problem. Dies deshalb, weil Wärmepumpen über oft längere Zeit hinweg monoton in kritischen Teillastbereichen betrieben werden, etwa weil zu bestimmten Tageszeiten nur eine geringe Kühl- oder Heizleistung abgerufen wird.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Wärmepumpe mit verbesserter Teillastfähigkeit zu schaffen.
DIE ERFINDUNGSGEMÄSSE LÖSUNG
Die erfindungsgemäße Lösung besteht in einer Wärmepumpe, mit einem Verdampfer, einem Verflüssiger und einem Verdichter. Der Verdichter verdichtet den bei der Verdampfung der im Kreis geführten Arbeitsflüssigkeit entstandenen Dampf W, so dass sich sein Druck und seine Temperatur erhöhen. Der Verdichter drückt dann den verdichteten Dampf W in den Verflüssiger. Zu diesem Zweck weist der Verdichter einen axial ansaugenden und radial verdichtenden Impeller auf. Der Impeller läuft in einem Impellergehäuse um. Er ist zwischen seiner Vorderkante und seiner Hinterkante beschaufelt.
Das Impellergehäuse weist stromaufwärts der Vorderkante des Impellers eine Ansaugschürze auf, die im Vorfeld der Vorderkante des Impellers einen ringförmigen Saugmund bildet.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in der Wand des Impellergehäuses einer oder besser mehrere, vorzugsweise symmetrisch verteilte, Strömungskanäle ausgebildet sind. Die Strömungskanäle durchdringen die Ansaugschürze in deren Längsrichtung. Sie münden mit ihrer ersten Mündung vorzugsweise in der Nähe der Vorderkante des Impellers in den von seiner Beschaufelung unmittelbar überstrichenen Innenwandbereich des Impellergehäuses.
Die erfindungsgemäße Gestaltung ermöglicht die Rückführung eines nicht unbeachtlichen Volumenstroms vom Induktorbereich des Impellers bis zum Beginn oder zumindest den vorderen, stromaufwärtigen Bereich des Saugmundes. Hierdurch wird nachweislich die Stabilität der Strömung im Teillastbereich verbessert. In erster Näherung kann man sagen, dass die erfindungsgemäß beabsichtigte Wirkung ausgeprägter wird, je näher man die ersten Mündungen an die Vorderkante des Impellers legt.
Festzuhalten ist, dass die Strömungskanäle keineswegs durchgängig als lokale Bohrungen ausgeführt sein müssen. Es ist stattdessen besonders vorteilhaft die Ansaugschürze zumindest bereichsweise doppelwandig auszuführen, mit (entsprechend großen) internen Schlitzkanälen zwischen den beiden Wänden, zur Bildung eines wesentlichen Teils der Strömungskanäle.
Figurenliste

Die 1 zeigt den Aufbau und die Funktionsweise der zu verbessernden Wärmepumpe als ganzer.
Die 2 zeigt den hierzu verwendeten Radialverdichter und die speziellen an ihm getroffenen Maßnahmen.
Die 3 erläutert den Radialverdichter und die Strömungskanäle noch näher.
4 veranschaulicht eine besonders günstige, mehrteilige Bauart der Ansaugschürze.

BEVORZUGTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Die genaue Funktionsweise und Ausgestaltbarkeit der Erfindung ergibt sich aus dem zuvor gesagten, den Ansprüchen und den beigefügten Figuren, bei denen alles, was daraus zu erkennen ist, optional erfindungsrelevant ist und daher auch nachträglich noch zu einem Teil der Ansprüche gemacht werden kann.
Daher wird an dieser Stelle zunächst nur noch der spezielle Wärmepumpentyp beschrieben, dessen Verbesserung sich die Erfindung zum Ziel gesetzt hat.
Die 1 veranschaulicht den Aufbau und das Funktionsprinzip des für die erfindungsgemäße Anlage bevorzugt zum Einsatz kommenden Wärmepumpentyps, hier am Beispiel der Wärmepumpe 2 mit ihrem Verdampfer 3 und ihrem Verflüssiger 4 und den zugehörigen Verdampferein- und -ausgängen 3.1 bzw. 3.2 sowie den zugehörigen Verflüssigerein- und -ausgängen 4.1 bzw. 4.2.
Es handelt sich um ein bis an die Wärmetauscher, die die Systemgrenze des eingehausten Systems bilden mögen, vakuumdichtes System. Dieses wird vorzugsweise mit reinem Wasser als Arbeitsflüssigkeit betrieben, sowohl auf Seiten der Kühlflüssigkeit als auch auf Seiten der Kaltflüssigkeit.
Die Kaltflüssigkeit tritt über den Verdampfereingang 3.1 in den Verdampfer 3 der Wärmepumpe 2 ein.
Etwa 1 % der eingetretenen Kaltflüssigkeit verdampft im dort herrschenden Vakuum. Die hierfür benötigte Verdampfungsenergie wird dem restlichen Kaltflüssigkeitsstrom KW entzogen, der sich dadurch um ca. 6 °C abkühlt.
Der bei der Verdampfung entstandene Dampf W wird von dem Turboverdichter 17, der mit einem erfindungsgemäß und wie vorstehend beschrieben ausgeführten und gekühlten Elektromotor angetrieben wird, mit vorzugsweise mehr als 25.000 Umdrehungen pro Minute auf maximal ein Drittel seines Ausgangsvolumens verdichtet, wobei sich sein Druck und seine Temperatur erhöhen. Er wird dabei in den Verflüssiger 4 gedrückt.
Der erhitzte Dampf W kondensiert im Verflüssiger 4 direkt in den umlaufenden Kühlflüssigkeitsstrom K, die dabei abgegebene Kondensationswärme erwärmt diesen dabei ebenfalls um ca. 6 °C.
Geschlossen wird der Kreislauf über ein selbstregelndes Expansionsorgan 18.
Bemerkenswert ist, dass die Verdampfung und Rekondensation vollständig innerhalb der jeweiligen Wärmepumpe abläuft, d. h. innerhalb der Dose, die die Wärmepumpe gegenüber ihrer Umgebung kapselt. Die Verdampfung und Rekondensation erfolgen nicht in den Wärmetauschern, die in dem zu heizenden oder zu kühlenden Raum angebracht sind und/oder zum Zwecke der Nutzwärmeaufnahme bzw. der Abwärmeabgabe gebäudeaußenseitig.
Anhand einer CFD-Simulation wurden geeignete Stömungskanäle entwickelt, die in einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe mit einer sich eines Impellers 1 bedienenden Turbine eingesetzt wurden, siehe den roten Bereich in 2. Die modifizierte Ansaugschürze 5 ist dort in Grün markiert.
Für die Versuche wurde ein vorhandenes Impellergehäuse 2 abgedreht. An diesen wurde ein mittels Lasersintern gefertigtes Unterteil, nämlich eine Ansaugschürze mit erfindungsgemäßen Strömungskanälen angeklebt. Anschließend wurde ein entsprechender Versuchsverdichter aufgebaut und getestet. Sein Lauf erwies sich als signifikant stabiler.
Bezugszeichenliste

1: Impeller
2: Impellergehäuse Wärmepumpe oder, nur in 1, Wärmepumpe (doppelt vergeben)
3: Vorderkante des Impellers oder, nur in 1, Verdampfer (doppelt vergeben)
3.1: Verdampfereingang
3.2: Verdampferausgang
4: Hinterkante des Impellers oder, nur in 1,Verflüssiger (doppelt vergeben)
4.1: Verflüssigereingang
4.2: Verflüssigerausgang
5: Ansaugschürze
6: Saugmund
7: Strömungskanal
8: erste Mündung
9: zweite Mündung
10: Radialsteg
11: Teilringspalt
12: nicht vergeben
13: nicht vergeben
14: nicht vergeben
15: nicht vergeben
16: Dose / Kapselung (nur in 1)
17: Turboverdichter
18: Expansionsorgan
DIS: Gesamtdistanz zwischen der Vorderkante und der Hinterkante der Beschaufelung
Ro1: erstes Rohrelement
Ro2: zweites Rohrelement
L: Betriebsrotationsachse des Impellers 1
K: Kühlflüssigkeitsstrom
KW: Kaltflüssigkeitsstrom
W: Dampf

Claims

Wärmepumpe mit einem Verdampfer, einem Verflüssiger und einem Verdichter, der den bei der Verdampfung der im Kreis geführten Arbeitsflüssigkeit entstandenen Dampf (W) verdichtet, so dass sich sein Druck und seine Temperatur erhöhen, und dann den Dampf (W) in den Verflüssiger drückt, wobei der Verdichter einen axial ansaugenden und radial verdichtenden Impeller (1) aufweist, der in einem Impellergehäuse (2) umläuft und zwischen seiner Vorderkante (3) und seiner Hinterkante (4) beschaufelt ist, wobei das Impellergehäuse (2) stromaufwärts der Vorderkante (3) des Impellers (1) eine Ansaugschürze (5) aufweist, die im Vorfeld der Vorderkante (3) des Impellers (1) einen ringförmigen Saugmund (6) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wand des Impellergehäuses (2) mehrere Strömungskanäle (7) ausgebildet sind, die die Ansaugschürze (5) in deren Längsrichtung durchdringen und mit ihrer ersten Mündung (8) vorzugsweise in der Nähe der Vorderkante (3) des Impellers (1) in den von seiner Beschaufelung unmittelbar überstrichenen Innenwandbereich des Impellergehäuses (2) münden.
Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die besagten Strömungskanäle (7) in den Bereich oder unmittelbar stromaufwärts des Bereichs der Beschaufelung münden, in dem im Verdichterbetrieb der geringste Druck anliegt.
Wärmepumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die besagten Strömungskanäle (7) - in Förderrichtung gesehen - innerhalb des ersten Viertels oder des ersten Drittels der Gesamtdistanz (DIS) zwischen der Vorderkante (3) und der Hinterkante (4) der Beschaufelung münden.
Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (7) an ihrem anderen Ende eine zweite Mündung (9) besitzen, die an der dem Impeller (1) abgewandten Stirnseite der Ansaugschürze (5) mündet.
Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (7) entlang des überwiegenden Teils ihrer Länge im Wesentlichen parallel zur Betriebsrotationsachse (L) des Impellers (1) verlaufen.
Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (7) im Bereich ihrer ersten Mündung (8) schräg verlaufen, im Regelfall in einem stumpfen Winkel zu ihrem übrigen, nicht schräg verlaufenden Abschnitt.
Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansaugschürze (5) mehrteilig ausgebildet ist, aus zwei koaxial ineinander angeordneten Schürzenelementen, (Ro1) und (Ro2) besteht, die über Radialstege (10) miteinander verbunden sind und zwischen sich einen oder mehrere Ring- oder Teilringspalte (11) bilden, die zumindest einen Saugkanalabschnitt bilden.
Wärmepumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die besagten Radialstege asymmetrisch verteilt positioniert sind