DE19812495C2

DE19812495C2 - Method for operating a heat pump system or refrigeration system and components suitable for carrying out this method

Info

Publication number: DE19812495C2
Application number: DE1998112495
Authority: DE
Inventors: Lutz Mardorf
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-03-21
Filing date: 1998-03-21
Publication date: 2000-09-28
Anticipated expiration: 2018-03-22
Also published as: DE19812495A1

Description

1. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpenanlage oder Kälte maschinenanlage mit den im Obergriff des Anspruchs 1 und 2 angegebenen Merkmalen. Weiterhin betrifft die Erfindung eine nach diesem Verfahren betriebene Wärmepumpenan lage oder Kältemaschine mit den in Anspruch 6 angegebenen Merkmalen. Ein solches Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens sind aus der DE-OS 28 56 767 bekannt.1. The invention relates to a method for operating a heat pump system or refrigeration Machine system with the features specified in the top handle of claim 1 and 2. The invention further relates to a heat pump operated according to this method location or refrigerator with the features specified in claim 6. Such one Methods and an apparatus for performing this method are from DE-OS 28 56 767 known.

2. Die meisten heute verwirklichten Absorptionswärmepumpen-Heizsysteme und Kältema schinen-Kühlsysteme werden mit einer einfachen Zweipunktregelung betrieben. Der Ausle gungspunkt für den Einsatz der Wärmepumpe ist durch die niedrigste Verdampfereintritt stemperatur der Sole oder der Luft aus der Umgebung, bei der die Wärmepumpe gerade noch als solche arbeiten soll, und durch die maximale Heizwasser-Vorlauftemperatur für die Heizkörper oder oder Fußbodenheizung eines Gebäudetyps festgelegt. Dadurch wird die Konzentration der reichen Lösung in ihrem Wert nach oben hin und die Konzentration der armen Lösung in ihrem Wert nach unten hin begrenzt. Die Massenströme des Kältemit tels, welches durch den Kondensator über eine feste Kondensatdrosselstelle zum Ver dampfer strömt, der reichen Lösung, welche vom Absorber mit einer Lösungspumpe mit konstanter Drehzahl zum Austreiber gefördert wird, und der armen Lösung, welche vom Austreiber über eine feste Lösungsdrosselstelle zum Absorber strömt, sind dabei in ersten Linie von dem dem Austreiber zugeführten konstanten Wärmestrom des Brenners abhän gig. Wird solche eine Wärmepumpe in einem anderen Betriebspunkt als dem Auslegungs punkt betrieben, verändern sich die Konzentrationen der reichen und armen Lösung nur geringfügig und der abgegebene Wärmestrom für das Heizsystem des Gebäudes bleibt nahezu konstant. Auch die Leistungszahl des Auslegungspunktes bleibt nahezu konstant.2. Most of the absorption heat pump heating systems and refrigeration systems implemented today Machine cooling systems are operated with a simple two-point control. The Ausle The lowest point for the use of the heat pump is the evaporator inlet temperature of the brine or the ambient air at which the heat pump is currently operating still work as such, and by the maximum heating water flow temperature for the radiators or or floor heating of a building type. This will the concentration of the rich solution in value and the concentration the value of the poor solution is limited. The mass flows of the cold means, which by the condenser via a fixed condensate choke point for ver steamer flows, the rich solution, which comes from the absorber with a solution pump constant speed is promoted to the expeller, and the poor solution, which from Drivers that flow to the absorber via a fixed throttle restriction are among the first Line depend on the constant heat flow of the burner supplied to the expeller gig. If such a heat pump is in a different operating point than the design operated at point, the concentrations of the rich and poor solution only change insignificant and the heat flow given off for the heating system of the building remains almost constant. The coefficient of performance of the design point also remains almost constant.

3. Mit steigender Verdampfereintrittstemperatur der Sole oder der Luft aus der Umgebung wächst auch die Differenz zwischen dem Druck im Verdampfer, dem Niederdruck, und dem Sättigungsdruck des Kältemittels, d. h. es wächst auch die Überhitzung am Verdampfer. Dies verbessert nur sehr geringfügig die Leistungsleistungzahl. Um die Leistungszahl mit steigender Verdampfereintrittstemperatur der Sole oder Luft aus der Umgebung anzuhe ben, ist es Vorteil die Konzentration der reichen Lösung immer so zu erhöhen, daß der Ver dampfer 5 gerade noch verdampft und die Überhitzung am Verdampfer nahezu konstant bleibt. Dazu wird mit steigender Verdampfereintrittstemperatur in dem Wärmepumpenpro zeß oder in dem Kältemaschinenprozeß die Masse an Kältemittel erhöht, welches eine Steigerung der Konzentration der reichen Lösung zur Folge hat.3. As the evaporator inlet temperature of the brine or the air from the environment increases, the difference between the pressure in the evaporator, the low pressure and the saturation pressure of the refrigerant also increases, ie the overheating on the evaporator also increases. This only slightly improves the performance figure. In order to increase the coefficient of performance with increasing evaporator inlet temperature of the brine or air from the environment, it is advantageous to always increase the concentration of the rich solution so that the evaporator 5 just evaporates and the overheating on the evaporator remains almost constant. For this purpose, the mass of refrigerant is increased with increasing evaporator inlet temperature in the heat pump process or in the refrigerator process, which results in an increase in the concentration of the rich solution.

4. In der Regel ist bei einem Heizsystem mit steigender Umgebungslufttemperatur auch eine fallende Heizwasservorlauftemperatur gefordert und der Heizwärmebedarf eines Gebäudes sinkt. Wird der über einen Brenner 2 dem Austreiber 1 zugeführte Wärmestrom so gesteu ert, bzw. geregelt, daß die Heizwasservorlauftemperatur in Abhängigkeit der Umgebungs lufttemperatur einer Gebäudekennfunktion entspricht, wird auch die Wärmepumpe den ak tuellen Wärmebedarf des Gebäudes decken. Da der Druck im Kondensator 3 in direktem Zusammenhang mit der aktuellen Heizwasservorlauftemperatur steht, wird gemäß der Er findung dieser Druck so als Führungsgröße gewählt, daß das Volumen des Kältemittelspei chers 12 beim höchsten Druck ein Maximum und beim niedrigsten Druck ein Minimum hat. Dieser Kältemittelspeicher 12 ist über eine Kältemittelabzweigleitung 11 mit der Kältemittel leitung 11a zwischen Kondensator 3 und variablen Kondensatdrosselstelle 4 verbunden. Da der Druck des Kältemittels immer dem Federdruck einer mechanischen Feder 15 oder ei ner pneumatischen Feder 16 entspricht, verändert sich das Volumen des Kältemittelspei ches 12 entsprechend der o. g. Funktion. 4. In a heating system with increasing ambient air temperature, a falling heating water supply temperature is usually required and the heating requirement of a building decreases. If the heat flow supplied to the expeller 1 via a burner 2 is controlled or regulated so that the heating water supply temperature corresponds to a building characteristic function depending on the ambient air temperature, the heat pump will also cover the current heat demand of the building. Since the pressure in the condenser 3 is directly related to the current heating water supply temperature, according to the invention, this pressure is chosen as a reference variable such that the volume of the refrigerant reservoir 12 has a maximum at the highest pressure and a minimum at the lowest pressure. This refrigerant reservoir 12 is connected via a refrigerant branch line 11 to the refrigerant line 11 a between the condenser 3 and the variable condensate throttle point 4 . Since the pressure of the refrigerant always corresponds to the spring pressure of a mechanical spring 15 or egg ner pneumatic spring 16 , the volume of the refrigerant chip 12 changes according to the above function.

5. Das Gasvolumen 16 der pneumatischen Feder wird überlagernd zu dem Kältemitteldruck auch durch die Soleeintrittstemperatur in den Verdampfer 5 oder durch die Kältemittelaus trittstemperatur aus dem Verdampfer 5 verändert, in dem eine Soleleitung 18 vor Eintritt in den Vedampfer 5 die Sole über den in die pneumatische Feder integrierten Wärmeübertra ger 17 leitet oder das Kältemittel über eine Kältemittelleitung 18a zwischen Verdampfer 5 und Absorber 6 in Reihen- oder Parallelschaltung durch den Wärmeübertrager 17 der pneumatischen Feder strömt. Das Gasvolumen 16 der pneumatischen Feder, welches von dem Kältemittelspeicher 12 durch eine elastische Membrane 16a getrennt ist, dehnt sich mit steigender Soletemperatur oder mit steigender Kältemitteltemperatur und damit auch mit steigender Umgebungslufftemperatur aus und verringert das Volumen des Kältemittelspei chers 12, wodurch die Konzentration der reichen Lösung erhöht wird. Um den dadurch in stationär angestiegenden Massenstrom des Kältemittels in den Verdampfer strömen zu las sen wird der freie Querschnitt der stufenlos verstellbaren Kondensatdrosselstelle 4 vergrö ßert oder es wird das regelbare Verhältnis von Verschlußzeit zu Öffnungszeit verkleinert. Dadurch wird gewährleistet, daß der Kondensator 3 nicht überflutet und sich die wirksame Kondensatorwärmeübertragerfläche nicht verkleinert.5. The gas volume 16 of the pneumatic spring is superimposed on the refrigerant pressure by the brine inlet temperature in the evaporator 5 or by the refrigerant outlet temperature from the evaporator 5 , in which a brine line 18 before entering the evaporator 5, the brine via the in the pneumatic Spring integrated heat exchanger 17 conducts or the refrigerant flows via a refrigerant line 18 a between evaporator 5 and absorber 6 in series or parallel connection through the heat exchanger 17 of the pneumatic spring. The gas volume 16 of the pneumatic spring, which is separated from the refrigerant reservoir 12 by an elastic membrane 16 a, expands with increasing brine temperature or with increasing refrigerant temperature and thus also with increasing ambient air temperature, and reduces the volume of the refrigerant reservoir 12 , thereby reducing the concentration of the rich solution is increased. In order to let the steadily rising mass flow of the refrigerant flow into the evaporator, the free cross section of the continuously variable condensate throttle restriction 4 is increased or the controllable ratio of shutter speed to opening time is reduced. This ensures that the condenser 3 is not flooded and the effective condenser heat exchanger area is not reduced.

6. Auch kann in diesem Verfahren nach Anspruch 2 der Einfluß der Umgebungslufttemperatur auf die Gasfeder 16 durch den sich mit der Umgebungslufttem peratur veränderten Niederdruck bewirkt werden, wenn vom Niederdruckteil (in der Leitung zwischen Kondensatdrosselstelle, Verdampfer, Absorber und Lösungsdrosselstelle) eine Druckleitung 21 über einem Drucktransmitter 20 zu dem Gasvolumen der pneumatischen Feder geführt wird.6. Also in this method according to claim 2, the influence of the ambient air temperature on the gas spring 16 can be caused by the temperature which changes with the ambient air temperature when the low pressure part (in the line between the condensate throttle point, evaporator, absorber and solution throttle point) has a pressure line 21 a pressure transmitter 20 is led to the gas volume of the pneumatic spring.

7. Da mit steigender Konzentration der reichen Lösung das durch die Lösung beaufschlagte Volumen im Austreiber 1 anwächst, ist es von Vorteil dem Austreiber über eine Austreibe rausgleichsleitung 13 ein Ausgleichsvolumen 14 zur Verfügung zu stellen. Da sich das be nötigte Austreiberausgleichsvolumen umgekehrt proportional zu dem Volumen des Kältemittelspeichers verhält, ist es von Vorteil einen doppelwirkenden Kolben 15a eines Kolben-Federsystems zu verwenden, wobei die eine Seite des Kolbens über die Kältemitte lausgleichsleitung 11 mit Kältemittel und die gegenüberliegende Seite des Kolbens über die Austreiberausgleichsleitung 13 mit Lösung und Dampf beaufschlagt ist.7. Since with increasing concentration of the rich solution the volume acted upon by the solution in the expeller 1 increases, it is advantageous to provide the expander with an equalization volume 14 via an expander line 13 . Since the expeller compensation volume required is inversely proportional to the volume of the refrigerant reservoir, it is advantageous to use a double-acting piston 15 a of a piston spring system, with one side of the piston balancing line 11 with refrigerant via the refrigerant and the opposite side of the piston is supplied with solution and steam via the expeller compensation line 13 .

8. Weiterhin ist es von Vorteil, den Massenstrom der armen Lösung vom Austreiber 1 in den Absorber 6 über eine verstellbare Lösungsdrosselstelle 7 so an die oben beschriebene Konzentrationsveränderung der reichen Lösung anzupassen, daß der freie Querschnitt der stufenlos verstellbaren Lösungsdrosselstelle vergrößert oder das Verhältnis von Verschluß zeit zu Öffnungszeit verkleinert wird, wenn die Lösungstemperatur am Austritt des Austrei bers einen Maximalwert überschreitet oder umgekehrt wenn sie einen Minimalwert unter schreitet.8. Furthermore, it is advantageous to adapt the mass flow of the poor solution from the expeller 1 into the absorber 6 via an adjustable solution throttling point 7 to the concentration change of the rich solution described above in such a way that the free cross section of the continuously adjustable solution throttling point increases or the ratio of closure time to opening time is reduced if the solution temperature at the outlet of the expeller exceeds a maximum value or vice versa if it falls below a minimum value.

9. Sinkt der aktuelle Wärmebedarf eines Gebäudes bei sonst konstant bleibender Umge bungslufttemperatur, und es entsteht gegenüber der Wärmepumpe ein Teillastverhalten, steigt die Heizwasservorlauftemperatur kurzfristig etwas an. Um die Heizwasservorlauftem peratur wieder an ihren von der Umgebungstemperatur gebundenen Funktionswert wieder anzupassen, wird der vom Brenner 2 an den Austreiber 1 abgegebe Wärmestrom so abge senkt, daß die Heizwasservortemperatur nicht mehr ansteigt. Gleichzeitig passen sich die variable Kondensatdrosselstelle 4 durch die Kondensatortemperatur und die Lösungsdros selstelle durch die Austreibertemperatur an die veränderten Massenströme an. Gleichzeitig wird die Fördermenge der drehzahlveränderbaren Lösungspumpe 8 an den veränderten Lösungsmassenstrom angepaßt.9.If the current heat demand of a building drops while the ambient air temperature is otherwise constant and there is a partial load behavior compared to the heat pump, the heating water flow temperature rises slightly for a short time. In order to adjust the heating water temperature again to its functional value bound by the ambient temperature, the heat flow given off by the burner 2 to the expeller 1 is lowered so that the heating water pre-temperature no longer increases. At the same time, the variable condensate throttle point 4 adapts to the changed mass flows by the condenser temperature and the solution throttle selstelle by the expeller temperature. At the same time, the delivery rate of the variable-speed solution pump 8 is adapted to the changed solution mass flow.

10. Dieses beschriebene Verfahren gilt auch sinngemäß bei der Anwendung in einer Käl temaschine, bei der die Kälteleistungszahl durch die Anpassung des Prozesses an die sich verändernte Kühltemperatur am Kondensator und an die aktuelle Kältetemperatur am Ver dampfer optimiert wird. 10. This described procedure also applies analogously when used in a calf temperature machine, in which the refrigeration coefficient by adapting the process to itself changed cooling temperature at the condenser and the current cooling temperature at the ver steamer is optimized.

11. Das Verfahren wird weitgehend beschrieben in:
L. Mardorf:
Controllable Cycle Investigation of Direct Fired Absorption Heat Pump for Residential Hea ting Systems.
The International Absorption Heat Pump Conference '94, Jan 19-21, 1994, p. 339-344, New Orleans, Louisiana, USA.11. The procedure is largely described in:
L. Mardorf:
Controllable Cycle Investigation of Direct Fired Absorption Heat Pump for Residential Heating Systems.
The International Absorption Heat Pump Conference '94, Jan 19-21, 1994, p. 339-344, New Orleans, Louisiana, USA.

Claims

1. A method of operating a heat pump system as an absorption heat pump or a refrigeration system as an absorption refrigerator, in which one heats up in a vaporizer a solution of a refrigerant in a solvent with a gas or heating oil burner or with heat removed from another combustion process, thereby evaporating refrigerant Via a condenser, a condensate choke point and an evaporator, it is fed directly to an absorber, in which the refrigerant is combined with the solvent, which has been removed from the expeller and is depleted in refrigerant, via a solution choke point, and the resulting rich solution is returned to the expeller by means of a solution pump and in which one adjusts the concentration of the rich solution and the concentration of the poor solution in a wide concentration to adapt to the optimal operating state of the heat supply in the evaporator and the heat dissipation in the condenser and absorber tion range depending on a guide variable changes the concentrations, characterized in that a refrigerant branch line is inserted in the refrigerant line between expeller and absorber, preferably between the condenser and the condensate throttle point, which leads to a variable in its volume of refrigerant storage, the volume correspondingly of the pressure of the refrigerant in the operation of the system changes in such a way that the volume of the refrigerant store has a maximum at the highest pressure and the volume has a minimum at the lowest pressure, and optionally the expander has an expansion volume store available via an expeller compensation line to be set such that at the highest pressure in the operation of the expeller the equalizing volume has a maximum and at the lowest pressure the equalizing volume has a minimum, the change in the volume of the refrigerant reservoir s happens synchronously with the change in the volume of the compensation volume and is effected by a mechanical, pneumatic or hydraulic spring or magnetic or mechanical adjusting device integrated in or on the refrigerant store or compensation volume store or a combination of a mechanical and pneumatic or hydraulic spring.

2. The method according to claim 1, characterized in that the pneumatic spring a closed gas volume in a container, which has an elastic cal membrane is separated from the variable volume of the refrigerant storage, the Temperature of the enclosed gas volume by means of a heat exchanger is changed that the refrigerant flowing out of the evaporator heat transfer ger in the pneumatic spring in the bypass to the refrigerant line between the evaporator and the absorber or in a series connection between the evaporator and absorber flows through or that a refrigerant fluid, preferably a brine, by means of a refrigerant fluid line before entering a brine-loaded evaporator, the heat exchanger in the flows through pneumatic spring, and that alternatively to the heat exchanger, a pressure line from the low pressure part in the line Lead between the refrigerant throttle control and the solution throttle control to a pressure transmitter leads and from there connected to the gas volume of the pneumatic spring is.

3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that the highest and the lowest pressure of the refrigerant due to the highest and lowest temperature in the condenser sator is set and the flow through the variable condensate throttle point fenless or so through a clocked working method with an adjustable ratio of Shutter speed at opening time is regulated so that the pressure of the refrigerant in the condenser correlated with the condenser temperature so that the change in the refrigerant storage volume is the concentration of the rich solution at the highest condenser temperature has a minimum and a maximum at the lowest condenser temperature, the controllable or pulsed refrigerant throttle even with the variation of the medium one Refrigerant mass flow through this condensate restriction, the Varia described here tion of the concentration of the rich solution causes.

4. The method according to claim 3, characterized in that the flow through the in Flow path between the expeller and the absorber available variable solutions throttling point so infinitely or through a clocked working method with an adjustable Ratio of shutter speed to opening time is regulated so that by volume Change in the refrigerant storage caused concentration of the rich solution so changed is that the pressure formed by the rich solution concentration in the absorber, the na he corresponds to the pressure in the evaporator, only a slight difference to the saturation has pressure of the refrigerant in the evaporator, the controllable or clocked Solution throttle also in the variation of the mean solution mass flow through this Solution throttle the variation of the concentration of the rich solution described here causes and the concentration of the poor solution is kept almost constant and one The concentration of the poor solution does not fall below the minimum value.

5. The method according to the preceding claims, characterized in that the Speed of the solution pump changed so that the flow rate depends on the flow of variable solution throttle with stepless or clocked operation with a ver adjustable ratio of shutter speed and opening time adjusts, the flow rate the solution pump also in the variation of the mean solution mass flow or of the refrigerant mass flow to the flow in the solution restriction.

6. According to the method of claims 1 to 5 operable heat pump system or refrigerator with a heatable expeller ( 1 ) with an expansion volumenspei cher ( 14 ), a variable refrigerant storage ( 12 ) connected via a refrigerant branch line ( 11 ) with the flow path between the condenser ( 3 ) and evaporator ( 5 ), a continuously adjustable or clocked condensate throttle ( 4 ), a continuously adjustable or clocked solution throttle ( 7 ) and a variable-speed solution pump ( 8 ), characterized in that the heat supply to the expeller ( 1 ) by a Gas or heating oil burner ( 2 ) or by a heat removed from another combustion process according to the currently required heat output on the absorber ( 6 ) and condenser ( 3 ) or correspond to the currently required cold on the evaporator ( 5 ) is set continuously or by a clocked Working with an adjustable ratio of heat supply time and downtime is changed, whereby the mean solution mass flow that flows through the solution throttle point ( 7 ) and the mean coolant mass flow that flows through the refrigerant throttle point ( 4 ) changes.