DE202012005862U1

DE202012005862U1 - Hydraulische Weiche

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Publication number: DE202012005862U1
Application number: DE202012005862U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-06-14
Filing date: 2012-06-14
Publication date: 2013-09-16
Anticipated expiration: 2022-06-15

Abstract

Kreislaufverbundsystem mit einem Verflüssiger (2) und einem Verdampfer (3), die zusammen eine Wärmepumpe (1) bilden, und mindestens einem Verbraucher (8), der über einen Vorlauf (21) und einen Rücklauf (22) mit der Wärmepumpe (1) verbunden ist, wobei der Vorlauf (21) in eine hydraulische Weiche (41) mündet und einen Bypass (43) aufweist, der in Fließrichtung vor der hydraulischen Weiche (41) von dem Vorlauf (21) abzweigt und hinter der hydraulischen Weiche (41) über ein 3-Wege-Ventil (42) in den Vorlauf (21) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass der Rücklauf (22) des Verbrauchers (8) mit der hydraulischen Weiche (41) verbunden ist, wobei ein Bypass (45) angeordnet ist, der in Fließrichtung vor der hydraulischen Weiche (41) von dem Rücklauf (22) abzweigt und hinter der hydraulischen Weiche (41) über ein 3-Wege-Ventil (47) in den Rücklauf (22) mündet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kreislaufverbundsystem mit einem Verflüssiger und einem Verdampfer, die zusammen eine Wärmepumpe bilden, und mindestens einem Verbraucher, der über einen Vorlauf und einen Rücklauf mit der Wärmepumpe verbunden ist, wobei der Vorlauf in eine hydraulische Weiche mündet und einen Bypass aufweist, der in Fließrichtung vor der hydraulischen Weiche von dem Vorlauf abzweigt und hinter der hydraulischen Weiche über ein 3-Wege-Ventil in den Vorlauf mündet.
Derartige Kreislaufverbundsysteme mit einer hydraulischen Weiche sind nach dem Stand der Technik bereits bekannt und in gängigen Klimaanlagen realisiert. Ferner wird ein derartiges Kreislaufverbundsystem mit einer hydraulischen Weiche in WO 2009/071074 A2 beschrieben. Die hydraulischen Weichen werden als Energiespeicher oder Energiepuffer eingesetzt, die mit dem Kältemittel des Kreislaufs und mit einer bestimmten Temperatur gefüllt werden. Wird von einem Verbraucher die maximal mögliche Heiz- oder Kühllast abgefordert, fließt das Kältemittel mit einer entsprechend hohen oder niedrigen Temperatur durch den Bypass und an der hydraulischen Weiche vorbei und wird unmittelbar dem Verbraucher zugeführt. Wird demgegenüber nur eine Teillast beim Verbraucher abgenommen, wird das Kältemittel zumindest teilweise aus der hydraulischen Weiche entnommen. Dabei wird durch eine Regelung der 3-Wege-Ventile die überschüssige Energie in die hydraulische Weiche geleitet, bis hierin die gegebene und gegebenenfalls errechnete Trendtemperatur herrscht. Ist die hydraulische Weiche gefüllt, kann die Wärmepumpe abgeschaltet werden und die Kühl- oder Heizleistung wird aus der hydraulischen Weiche entnommen.
Nachteilig an den bekannten Kreislaufverbundsystemen ist, dass die Ausgangtemperatur des Kältemittels beim Verbraucher nicht verändert werden kann und abhängig von der dortigen Eingangstemperatur und der Abnahmeleistung des Verbrauchers ist. Den Wärmetauschern der Wärmepumpe werden daher stets Kältemittel mit unterschiedlichen Temperaturen zugeführt, so dass diese nicht konstant unter optimalen Bedingungen arbeiten. Wärmetauscher einer Wärmepumpe sind nämlich an einen bestimmten Temperaturunterschied ΔT zwischen Eingangs- und Ausgangstemperatur angepasst, bei dem sie einen optimalen Wirkungsgrad besitzen. Ferner reagieren derartige Kreislaufverbundsysteme relativ träge auf auftretende Lastwechsel des bzw. der Verbraucher.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die genannten Nachteile zu beheben und den Wirkungsgrad sowie die Reaktionsfähigkeit der Vorrichtung auf Lastwechsel zu verbessern. Insbesondere soll eine Möglichkeit geschaffen werden, das Kältemittel mit einer konstanten Eingangstemperatur der Wärmepumpe zuführen zu können.
Diese Aufgabe wird durch das Kreislaufverbundsystem nach Anspruch 1 gelöst, wonach erfindungsgemäß der Rücklauf des Verbrauchers mit der hydraulischen Weiche verbunden ist, wobei ein Bypass angeordnet ist, der in Fließrichtung des Kältemittels vor der hydraulischen Weiche von dem Rücklauf abzweigt und hinter der hydraulischen Weiche über ein 3-Wege-Ventil in den Rücklauf mündet. Mit anderen Worten ist sowohl der Vor- als auch der Rücklauf des Verbrauchers mit der hydraulischen Weiche verbunden, wobei in beiden Fällen ein Bypass angeordnet ist, über den das Kältemittel an der hydraulischen Weiche vorbeigeführt werden kann. Insbesondere durch die Verbindung der hydraulischen Weiche mit dem Rücklauf des Verbrauchers kann die optimale Temperaturspreizung im Wärmetauscher der Wärmepumpe in jedem Betriebspunkt gehalten werden, weil die Wärmetauscher der Wärmepumpe für einen bestimmten Temperaturunterschied ΔT zwischen Eingangs- und Ausgangstemperatur ausgelegt sind. Durch die Möglichkeit den Rücklauf zumindest teilweise in die hydraulische Weiche führen zu können, kann für eine konstante Eingangstemperatur gesorgt werden, woraus sich eine deutliche Steigerung des Wirkungsgrads der Gesamtvorrichtung ergibt. Darüber hinaus kann mit einer derartigen Vorrichtung auf Lastwechsel beim Verbraucher kurzfristig reagiert werden.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden und in den Unteransprüchen erläutert.
Nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass zur Steuerung der Temperatur des Verbrauchers der Vorlauf des Verbrauchers in ein Verbindungsstück abzweigt, das über ein 3-Wege-Ventil unmittelbar in den Rücklauf des Verbrauchers mündet und somit an dem Verbraucher vorbeiführt.
Kreislaufverbundsysteme der eingangs genannten Art sind in vielen gängigen Klimaanlagen realisiert, mit denen je nach der gewünschten Temperatur geheizt oder gekühlt werden kann. Zur Umschaltung vom Heizbetrieb in den Kühlbetrieb wird bei bekannten Klimaanlagen der Kältekreis der Wärmepumpe umgekehrt, so dass der Verdampfer im Kühlbetrieb die Funktion des Verflüssigers im Heizbetrieb übernimmt. Hierdurch können Klimaanlagen saisonabhängig und damit sowohl im Sommer wie auch im Winter verwendet werden. Allerdings ist eine derartige Kältekreisumschaltung relativ aufwändig in der Installation und die Wärmetauscher sind nicht optimal an die jeweilige Funktion als Verflüssiger bzw. als Verdampfer angepasst werden können, da sie bei einer Umkehr des Kältekreises die jeweils andere Funktion übernehmen müssen. Zur Steigerung des Wirkungsgrades ist nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass im Kühlbetrieb der Verbraucher über den Vorlauf und den Rücklauf mit dem Verdampfer der Wärmepumpe verbunden ist, wobei zum Umschalten vom Kühlbetrieb in den Heizbetrieb Rohrleitungen vorgesehen sind, die den Vorlauf und den Rücklauf des Verbrauchers mit dem Verflüssiger der Wärmepumpe verbinden. Mit anderen Worten lässt sich der Verbraucher nach Belieben mit dem Verflüssiger oder dem Verdampfer der Wärmepumpe verbinden, womit wahlweise eine Heiz- oder Kühlleistung an dem Verbraucher abgerufen werden kann. Durch diese Maßnahme ist es möglich, zwischen den Betriebsarten Kühlen und Heizen zu wechseln, ohne den Kältekreis innerhalb der Wärmepumpe umkehren zu müssen, womit der Verflüssiger und der Verdampfer für ihre jeweilige Funktionen optimiert werden können, was zu einer deutlichen Steigerung des Wirkungsgrades der Klimaanlage führt. Insbesondere in Verbindung mit der Möglichkeit den Rücklauf des Verbraucher der hydraulischen Weiche zuführen zu können, ergibt sich der besondere Vorteil, dass beide Wärmetauscher mit einer optimalen Eingangstemperatur des Kältemittels beaufschlagt werden können. Ferner werden weniger Rohrleitungen benötigt, da nur ein 2-Leiter-System zum Verbraucher führt, womit die Kosten im Anlagenbau deutlich reduziert werden können. Schließlich wird die Betriebssicherheit der Anlagen gesteigert, weil Last- und Temperaturwechsel im Kältekreis verringert bzw. vermieden werden.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist analog zu der Verbindung zwischen dem Verbraucher und der Wärmepumpe vorgesehen, dass mindestens ein Vernichter angeordnet ist, der im Kühlbetrieb über einen Vorlauf und einen Rücklauf mit dem Verflüssiger der Wärmepumpe verbunden ist, wobei zum Umschalten vom Kühlbetrieb in den Heizbetrieb Rohrleitungen vorgesehen sind, die den Vorlauf und den Rücklauf des Vernichters mit dem Verdampfer der Wärmepumpe verbinden. Der Vernichter führt die nicht benötigte Wärme oder Kälte an die Umgebung ab und ist vorzugsweise als Fortluftregister, Freikühler, Erdsonde oder dergleichen ausgebildet.
Vorzugsweise sind die Rohrleitungen des Verbraucherkreislaufs mittelbar mit dem Verflüssiger verbunden, indem die Rohrleitungen über 3-Wege-Ventile mit dem Vorlauf und dem Rücklauf des Vernichters verbunden sind. Analog hierzu ist nach einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass die Rohrleitungen des Vernichterkreislaufs mittelbar mit dem Verdampfer verbunden sind, indem die Rohrleitungen über 3-Wege-Ventile mit dem Vorlauf und dem Rücklauf des Verbrauchers verbunden sind. Hierdurch entfällt die Notwendigkeit, zwei zusätzliche Leitungen zu dem Verbraucher oder zum dem Vernichter zu führen, weil die vorhandenen zwei Leitungen zur Leitung des Warm- bzw. Kaltfluids verwendbar sind. Auch eine nachträgliche Installation in vorhandene Anlagen ist hierdurch möglich, da die Rohrleitungen unmittelbar vor der Wärmepumpe abgezweigt werden können. Die vorzugsweise verwendeten 3-Wege-Ventile haben sich in der Praxis bei Kreislaufverbundsystemen als besonders bevorzugt erwiesen, da sie trotz einer relativ günstigen Herstellbarkeit zuverlässig funktionieren und leicht ansteuerbar sind.
Konkrete Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1: eine schematische Darstellung einer Klimaanlage nach dem Stand der Technik,
2: eine schematische Darstellung eines Kreislaufverbundsystems im Kühlbetrieb,
3: eine schematische Darstellung eines Kreislaufverbundsystems im Heizbetrieb und
4: eine Detailansicht einer hydraulischen Weiche.
Eine herkömmliche Klimaanlage, wie sie schematisch in 1 dargestellt ist, besitzt eine Wärmepumpe 1, die einen Verflüssiger 2 und einen Verdampfer 3 aufweist. Zwischen diesen Wärmetauschern (Verflüssiger 2 und Verdampfer 3) sind Rohrleitungen 4, 5 vorgesehen, wobei in der Rohrleitung 4 ein Kompressor 6 und in der Rohrleitung 5 eine Drossel 7 angeordnet sind. Bei der dargestellten Fließrichtung des Kältemittels im Uhrzeigersinn, ist auf der linken Seite die Warmseite und auf der rechten Seite die Kaltseite angeordnet. Wird die Fließrichtung des Kältemittels umgekehrt, tauschen die Wärmetauscher (Verflüssiger 2 und Verdampfer 3) ihre Funktion und die rechte Seite ist die Warmseite, während die linke Seite die Kaltseite darstellt.
Von den Wärmetauschern (Verflüssiger 2 und Verdampfer 3) der Wärmepumpe 1 werden die Temperaturen an einen Verbraucher 8 und einen Vernichter 9 geleitet. Durch eine entsprechende Wahl der Fließrichtung des Kältemittels kann je nach den gewünschten Temperaturverhältnissen eine Heiz- oder Kühlwirkung am Verbraucher 8 angefordert werden.
In den und sind schematische Darstellungen einer konkreten Ausgestaltung der Erfindung gezeigt, mit der darüber hinaus auch die Notwendigkeit der Kühlmittelumkehr ausgeräumt wird. Hierzu ist nämlich der Verbraucher 8 und der Vernichter 9 wahlweise mit dem Verflüssiger 2 oder dem Verdampfer 3 verbindbar. (Die Pfeile ohne Bezugszeichen zeigen jeweils in die Fließrichtung des Kältemittels.)
2 zeigt das Kreislaufverbundsystem im Kühlbetrieb, wozu der Verbraucher 8 unmittelbar über den Vorlauf 21 und den Rücklauf 22 mit dem Verdampfer 3 verbunden ist. Analog hierzu sind der Vernichter 9 und der Verflüssiger 2 über den Vorlauf 23 und den Rücklauf 24 miteinander verbunden. Im Kühlfall (2) sind die (strichliniert dargestellten) Rohrleitungen 25, 26, 27 und 28 ohne Funktion und die 3-Wege-Ventile 29, 30, 31, 32 jeweils von a nach ab geschaltet, während b geschlossen ist.
Dem gegenüber werden im Heizfall (3) der Vorlauf 21 sowie der Rücklauf 22 des Verbrauchers 8 mit den Rohrleitungen 26 und 25 verbunden, indem das Ventil 29 von a nach b und das Ventil 30 von b nach ab geschaltet werden. Analog hierzu wird der Vernichter 2 durch eine entsprechende Einstellung der Ventile 31, 32 mit dem Verdampfer 3 verbunden, indem das Ventil 31 von b nach ab und das Ventil 32 von a nach b geschaltet werden, so dass der Rücklauf 24 in die Rohrleitung 27 und die Rohrleitung 28 in den Vorlauf 23 mündet.
4 zeigt eine Detailansicht einer konkreten Ausführungsform eines Kreislaufsystems mit einer hydraulischen Weiche 41, die zwischen dem Verdampfer 3 und dem Verbraucher 8 angeordnet ist. Der Vorlauf 21 mündet unmittelbar in die hydraulische Weiche 41, wobei das Kältemittel je nach der Einstellung des Ventils 42 durch einen Bypass 43 fließen kann. Der Rücklauf 22 führt ebenfalls unmittelbar in die hydraulische Weiche 41, wobei ein Bypass 45 angeordnet ist, womit das Kältemittel bei entsprechend eingestelltem Ventil 47 auch an der hydraulischen Weiche 41 vorbeifließen kann.
Schließlich ist zur Steuerung der Temperatur an dem Verbraucher 8 ein Verbindungsrohr 46 zwischen dem Vorlauf 21 und dem Rücklauf 22 vorgesehen, dass über ein 3-Wege-Ventil 48 mit dem Rücklauf 22 verbunden ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2009/071074 A2 [0002]

Claims

Kreislaufverbundsystem mit einem Verflüssiger (2) und einem Verdampfer (3), die zusammen eine Wärmepumpe (1) bilden, und mindestens einem Verbraucher (8), der über einen Vorlauf (21) und einen Rücklauf (22) mit der Wärmepumpe (1) verbunden ist, wobei der Vorlauf (21) in eine hydraulische Weiche (41) mündet und einen Bypass (43) aufweist, der in Fließrichtung vor der hydraulischen Weiche (41) von dem Vorlauf (21) abzweigt und hinter der hydraulischen Weiche (41) über ein 3-Wege-Ventil (42) in den Vorlauf (21) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass der Rücklauf (22) des Verbrauchers (8) mit der hydraulischen Weiche (41) verbunden ist, wobei ein Bypass (45) angeordnet ist, der in Fließrichtung vor der hydraulischen Weiche (41) von dem Rücklauf (22) abzweigt und hinter der hydraulischen Weiche (41) über ein 3-Wege-Ventil (47) in den Rücklauf (22) mündet.
Kreislaufverbundsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorlauf (21) des Verbrauchers (8) in ein Verbindungsstück (46) abzweigt, das über ein 3-Wege-Ventil (48) in den Rücklauf (22) des Verbrauchers (8) mündet.
Kreislaufverbundsystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlbetrieb der Verbraucher (8) über den Vorlauf (21) und den Rücklauf (22) mit dem Verdampfer (3) der Wärmepumpe (1) verbunden ist, wobei zum Umschalten vom Kühlbetrieb in den Heizbetrieb Rohrleitungen (25, 26) vorgesehen sind, die den Vorlauf (21) und den Rücklauf (22) des Verbrauchers (8) mit dem Verflüssiger (2) der Wärmepumpe verbinden (1).
Kreislaufverbundsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Vernichter (9), der im Kühlbetrieb über einen Vorlauf (23) und einen Rücklauf (24) mit dem Verflüssiger (2) der Wärmepumpe (1) verbunden ist, wobei zum Umschalten vom Kühlbetrieb in den Heizbetrieb Rohrleitungen (27, 28) vorgesehen sind, die den Vorlauf (23) und den Rücklauf (24) des Vernichters (9) mit dem Verdampfer (3) der Wärmepumpe (1) verbinden.
Kreislaufverbundsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitungen (25, 26) mittelbar mit dem Verflüssiger (2) verbunden sind, indem die Rohrleitungen (25, 26) über 3-Wege-Ventile (29, 30) mit dem Vorlauf (23) und dem Rücklauf (24) des Vernichters (9) verbunden sind.
Kreislaufverbundsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitungen (27, 28) mittelbar mit dem Verdampfer (3) verbunden sind, indem die Rohrleitungen (27, 28) über 3-Wege-Ventile (31, 32) mit dem Vorlauf (21) und dem Rücklauf (22) des Verbrauchers (8) verbunden sind.