DE2638367A1 - Vor vereisung gesicherter verdampfer fuer waermepumpen zur aufnahme von waerme aus der umgebungsluft - Google Patents

Description

DR. JOACHIM STEFFENS

DIPLOM-CHEMIKER UND PATENTANWALT 0 K T P ° fi 7

D-8032 LOCHHAM/MDNCHEN MOZARTSTRASSE 24 TELEFON. (089) 87 25 51 TELEXi (05) 29830 «teff d

25. August 1976

MEIN ZEICHENi MH-2

Motorheizung GmbH Bödekerstr. 73, 3 Hannover

Vor Vereisung gesicherter Verdampfer für Wärmepumpen zur Aufnahme von Wärme aus der Umgebungsluft

Die vorliegende Erfindung betrifft vor Vereisung gesicherte Verdampfer, insbesondere in enger Bauart, für Wärmepumpen zur Aufnahme von Wärme aus der TJmgebungsluft.

Es ist bekannt, daß sich Wärmepumpen für Heizzwecke dadurch auszeichnen, daß sie mittels ihrer Verdampfer ihrer Umgebung Wärme entziehen und diese in Form von Heizenergie wieder freigeben. Die Umgebungswärme wird dabei praktisch mit Hilfe eines Arbeitsmittels (z.B. Frigene, wie Difluordichlormethan = CFpCIp = Handelsbzeichnung F 12) von einem niedrigeren Temperaturniveau auf ein höheres Temperaturniveau gleichsam hinaufgepumpt und dann erst über einen Wärmeaustauscher an das Heizungssystem abgegeben. Wärmepumpen haben somit den Vorteil, daß man mit ihnen mehr Heizenergie gewinnen kann als man zum Antrieb der Wärmepumpen benötigt, da sie mittels ihrer Verdampfer zusätzlich Energie aus der Umgebungswärme aufnehmen. Derartige Wärmepumpen werden beispielsweise mit Elektromotoren angetrieben

809810/0074

und ergeben im Verhältnis zur eingespeisten elektrischen Energie einen sehr guten Energienutzungsgrad. Allerdings hängt die Wirtschaftlichkeit solcher elektrisch betriebener Wärmepumpe vom Strompreis, d.h. der eingesetzten Primärenergie, ab. Do/t, wo die Primärenergie beispielsweise Heizöl ist, ergibt der Umweg über die elektrische Energie einen relativ schlechten Energienutzungsgrad, In solchen Fällen ist es besser, man treibt die Wärmepumpen direkt mit einem Dieselmotor an.

Bei Wärmepumpen, die zur Beheizung von Räumen dienen und bei denen die Verdampfer sich die zusätzliche Energie aus der Umgebungsluft holen, stehen die Verdampfer üblicherweise direkt mit der Außenluft in Verbindung. Da die Beheizung von Räumen insbesondere dann erfolgt, wenn es "draußen" kalt ist, beispielsweise bei Außentemperaturen von -5 bis +5° C besteht für den Verdampfer, bedingt durch die auch noch bei diesen Temperaturen vorhandene Luftfeuchtigkeit, die Gefahr des Vereisens, wodurch der Wärmeübergang sehr stark herabgesetzt wird. Dies gilt insbesondere für kompakte Verdampfer, d.h. Verdampfer in enger Bauart, die aus Gründen der Platzersparnis eine lamellenartige Konstruktion nach Art der Autokühler mit Zwangsbelüftung aufweisen. Bei diesen Verdampfern wird sogar durch die Vereisung der Luftdurchsatz und damit die Aufnahme von Wärme aus der Umgebungsluft unterbunden, wodurch der Energienutzungsgrad der Wärmepumpe soweit absinkt, daß die Heizung nahezu unwirksam wird.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Einrichtung zu schaffen, mit der es möglich ist, einem Verdampfer einer Wärmepumpe, insbesondere einem solchen in Kompaktbauweise, aus relativ kalter Luft Wärme zuzuführen, ohne daß dabei der Verdampfer vereist.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß der Verdampfer nicht direkt mit der kalten Luft in Berührung kommt, sondern mit

809810/0074

einer Sole, die noch kalter ist als die kalte Luft und die dann die aus der Luft aufgenommene Wärme an den Verdampfer abgibt.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein vor Vereisung gesicherter Verdampfer, insbesondere in enger Bauart, für Wärmepumpen zur Aufnahme von Wärme aus der Umgebungsluft, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er nicht direkt durch die Umgebungsluft, sondern mit einer im Kreislauf geführten Sole erwärmt wird, die ihrerseits zur Aufnahme von Wärme aus der Umgebungsluft in einem Sole-Verteileraggregat verteilt und im Mitstrom-, Gegenstrom-, Querstrom- oder Quergegenstrom-Verfahren mit der Umgebungsluft in Berührung gebracht wird, wobei die Vorrichtung entweder durch die Umgebungsluft selbst belüftet oder die Umgebungsluft durch die Vorrichtung mittels Ventilatoren gepreßt oder gesaugt wird und die Temperatur der versprühten Sole unterhalb der Temperatur der Umgebungsluft liegt und einen solchen Wert aufweist, bei dem praktisch keine Verdunstung der Sole stattfindet.

Die gemäß der Erfindung eingesetzten Sole-Verteileraggregate können in ihrer Konstruktion den bekannten EinspritzkUhlern zur Gaskühlung entsprechen, bei denen die Kühlung von Luft oder anderen Gasen durch direkte Berieselung mit kaltem Wasser oder anderen Flüssigkeiten (Sole) erfolgt. Diese Art des Wärmeaustausches bietet gegenüber dem indirekten Wärmeaustausch den Vorteil, keine wärmeübertragenden Flächen zu benötigen. Erfindungsgemäß wird allerdings mit diesen Sole-Verteileraggregaten nicht die Abkühlung der Luft bezweckt, sondern umgekehrt die Erwärmung der Sole. Interessant ist dabei die Tatsache, daß von einem bestimmten Punkt ab keine Abkühlung des Wassers bzw. der Sole durch Verdampfen bzw. Verdunsten des Wassers bzw. der Sole stattfindet. Ist beispielsweise die wässrige Sole auf dem ganzen Wege, an dem die Luft an ihr vorüberstreicht, kälter als die Luft und so

809810/0074

5 263Π367

kalt, daß bei der jeweils gegebenen Luftfeuchtigkeit kein Wasser mehr verdunstet, dann kann nur noch Wärme von der Luft an die wässrige Sole übergehen, und zwar einmal in direktem Oberflächenaustausch und zum'anderen durch Kondensation des in der Luft enthaltenen Wasserdampfes.

Die auf diese Weise erwärmte Sole gibt dann die aus der Umgebungsluft aufgenommene Wärme direkt oder indirekt an den Verdampfer der Wärmepumpe ab.

Die erfindungsgemäß eingesetzten Sole-Verteileraggregate können die verschiedenartigsten Ausführungsformen aufweisen. Die Verteilung der Sole kann dabei lediglich durch Versprühen und/oder durch zusätzliche im Sole-Verteileraggregat befindliche Tropfkörper erfolgen. Vorzugsweise weisen die erfindungsgemäß eingesetzten Sole-Verteileraggregate eine Schicht aus Raschig-Ringen oder entsprechenden Füllkörpern auf. Man erhält auf diese Weise eine sehr große Oberfläche der Sole, die der Oberfläche der eingebrachten Füllkörper entspricht. Beispielsweise ergibt eine 1 m Schicht aus regellos aufeinander gehäuften zylindrischen Raschig-Ringen mit 25 mm Durchmesser und 25 mm Länge eine

2
Gesamtoberfläche von etwa 220 m . Außerdem wird durch eine solche Schicht die Verweilzeit der Sole im Sole-Verteileraggregat erheblich erhöht, da die Sole durch die völlig regellos in das Sole-Verteileraggregat eingebrachten Füllkörper zu einem fortgesetzten Richtungswechsel gezwungen wird, wodurch sich eine vervielfachte Weglänge ergibt.

Vorzugsweise sind die erfindungsgemäßen Sole-Verteileraggregate zur Durchleitung der Luft mit Ventilatoren ausgerüstet. Die Ventilatoren können am Lufteintritt rund um das Sole-Verteileraggregat oder am Luftaustritt angeordnet sein. Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind sie mit einer Drehzahlregelung ausgerüstet, um die Luftmengen den Temperaturzuständen anpassen zu können. Die Luftführung kann im Mitstrom, Gegenstrom, Querstrom oder Quergegenstrom erfolgen.

809810/00741

-ff.

Q 2633367

Für die Querstromausführung benötigt man allerdings eine relativ große Grundfläche. Verzichtet man auf die Anwendung von Ventilatoren, die nicht unbedingt erforderlich sind, so erfolgt die Belüftung des Sole-Verteileraggregats, bedingt durch die Abkühlung der Luft, durch natürlichen Fallwind im Mitstrom-Verfahren. Erfindungsgemäß kann das Sole-Verteileraggregat aber auch einen solchen Aufbau aufweisen, daß die Sole praktisch durch die Umgebungsluft versprüht und in einer Auffangwanne gesammelt wird, von wo die Sole dann im Kreislauf am Verdampfer vorbeigeführt wird.

Als Sole verwendet man gemäß der Erfindung Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, denen man Frostschutzmittel zugesetzt hat. Bevorzugt eingesetzte Frostschutzmittel sind solche, wie sie auch dem Kühlwasser für Automotoren zugemischt werden, d.h. hochsiedende, wasserlösliche, schwerentflammbare organische Flüssigkeiten, z.B. Glykol (= Äthylenglykol). Bei glykolhaltigen Solen kann die Korrosionsgefahr durch Zugabe eines Gemisches von primären und sekundären Natrium- oder Kaliumphosphat mit Sicherheit vermieden werden. Auch Zusätze von Borax wirken korrosionsschützend. Ein 10-, 20-, 30-, 40- bzw. 50%iges Glykol-Wasser-Gemisch gefriert bei -4° C, -9° C, -15⁰C, -24° C bzw. -36° C. Anstelle von Glykol kann man beispielsweise auch Sorbitol, ein in USA billig aus Mais gewonnener 6wertiger Alkohol, oder Glycerin einsetzen. Auch Natriumacetat kann man verwenden. Eine 28%ige wässrige Natriumacetatlösung hat die gleiche Gefrierpunkterniedrigung wie eine 4O?6ige Glycerinlösung und greift Metall nicht an.

Bestehen das Sole-Verteileraggregat und die zum Verdampfer führenden Rohre sowie die anderen mit der Sole in Berührung kommenden Teile aus Kunststoff, so kann man als Sole auch eine wässrige Kochsalzlösung einsetzen.

809810/0074

-Jfr"-

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die beigefügten Figuren 1 bis 4 verwiesen, wobei bemerkt wird, daß sich die Erfindung nicht auf diese speziellen Ausführungsformen beschränkt.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung den mit den anderen Teilen der Wärmepumpe verbundenen Verdampfer 1, der sich in dem thermisch gut isolierten Behälter 4 befindet. Der Verdampfer 1 wird von der Sole, die von dem Sole-Verteileraggregat 2 kommt, im direkten Wärmeaustausch erwärmt.

Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung den mit den anderen Teilen der Wärmepumpe verbundenen Verdampfer 1, der sich in dem thermisch gut isolierten Behälter 4 befindet. Der Verdampfer 1 wird von der Sole, die von dem Sole-Verteileraggregat 2 kommt, im indirekten Wärmeaustausch erwärmt. Der indirekte Wärmeaustausch erfolgt über das Wärmeaustauscherteil 5, das sich wie der Verdampfer 1 in dem Behälter 4 befindet und die über ein thermisch gut leitfähiges Medium miteinander zum Wärmeaustausch verbunden sind.

Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung ein erfindungsgemäß eingesetztes mit einem Ventilator 3 zwangsbelüftetes, mit dem Sole-Zulauf 7, der Füllkörperschicht 8 und der Sole-Auffangwanne mit dem Sole-Ablauf 10 versehenes Sole-Verteileraggregat 2, bei dem die Luft im Gegenstrom-Verfahren ■:an der Sole vorbeigeführt wird.

Fig. 4 zeigt in schematischer Darstellung ein im Freien stehendes, offenes Sole-Verteileraggregat 2,

809810/0074

bestehend aus dem Sole-Zulauf 7 mit Zerstäuber bzw. Brause 11 und der Öffnungsklappe 12 für Reinigungszwecke, dem Regenschutz 13» der Sole-Auffangwanne 9 mit dem Sole-Ablauf Der Tropfenvorhang 14 wird direkt und ohne Zwangsbelüftung von der Umgebungsluft erwärmt.

Zusammenstellung der Bezugszeichen

1 Verdampfer

2 Sole-Verteileraggregat

3 Ventilator

4 thermisch gut isolierter Behälter

5 Wärmeaustauscherteil

6 thermisch gut leitfähiges Medium

7 Söle-ZuIauf

8 Füllkörperschicht

9 Sole-Auffangwanne

10 Sole-Ablauf

11 Zerstäuber bzw. Brause

12 Öffnungsklappe für Reinigungszwecke

13 Regenschutz

14 Tropfenvorhang

809810/0074

Claims (2)

-Sf- ? β 3 R 3 6 7

1.^!Vor Vereisung gesicherter Verdampfer (1), insbesondere "-■'" in enger Bauart, für Wärmepumpen zur Aufnahme von Wärme aus der Umgebungsluft, dadurch gekennzeichnet, daß er nicht direkt durch die Umgebungsluft, sondern mit einer im Kreislauf geführten Sole erwärmt wird, die ihrerseits zur Aufnahme von Wärme aus der Umgebungsluft in einem Sole-Verteileraggregat (2) verteilt und im Mitstrom-, Gegenstrom-, Querstrom- oder Quergegenstrom-Verfahren mit der Umgebungsluft in Berührung gebracht wird, wobei das Sole-Verteileraggregat (2) entweder durch die Umgebungsluft selbst belüftet oder die Umgebungsluft durch das Sole-Verteileraggregat (2) mittels Ventilatoren (3) gepreßt oder gesaugt wird und die Temperatur der versprühten Sole unterhalb der Temperatur der Umgebungsluft liegt und einen solchen Wert aufweist, bei dem praktisch keine Verdunstung der Sole stattfindet.

2. Verdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sole aus einem Wasser-Glykol-Gemisch oder aus einer wässrigen Kochsalzlösung besteht.

809810/0074