DE2738752C2 - Wärmepumpenanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpenanlage nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine solche Wärmepumpenanlage ist aus der US-PS 24 619 bekannt. Jeder der beiden Wärmetauscher dieser Anlage hat eine erste Wärmetauschzone, die von drei parallelen Reihen von Rippenrohrschlangen gebildet wird. Um die Kühl- und Heizleistung zu verbessern, ist ein Unterkühler in Form einer einzigen Rippenrohrschlange vorgesehen, der eine zweite Wärmetauschzone bildet.

Nachteilig bei dieser Anordnung ist, daß die Leitung der Wärmetauscher begrenzt ist. Die Reihen von Rippenrohrschlangen, die die erste Wärrnetauschzone bilden, können vom Kältemittel immer nur parallel durchströmt werden. Außerdem läßt sich die Leistung der ersten Wärmetauschzone nur um die Leistung des zusätzlichen Unterkühlers verbessern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmepumpenanlage der bekannten Art zu schaffen, deren Wärmetauscher derart ausgestaltet sind, daß eine größere Wärmetauschkapazität erreicht und eine Anpassung an die jeweils gewünschte Kühl- und Heizwirkung ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden

Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst

Die Wärmetauscher sind durch Umkehrbogen, die die Rippenrohrreihen miteinander verbinden, in Kältemittelströmungswege unterteilt, die durch die Wärmetauschzonen hindurchgehen. In jedem Wärmetauscher ist ein Verteiler vorgesehen, der den Kältemitielstroin bei Verdampfungsbetrieb auf Kapillarröhren verteilt, welche das Kältemittel unter Expansion den einzelnen Strömungswegen zuführen. Bei Kondensationsbetrieb leiten Verteiler den Kältemitielstrom nacheinander durch die Strömungswege der einzelnen Wärmetauschzonen. Die Kapazität läßt sich durch die Zahl der Strömungswege und der Wärmetauschzonen festlegen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Wärmepumpenanlage, in welcher Wärmetauscher nach der Erfindung verwendet werden;

F j g. 2 eine perspektivische Teilansicht eines Wärmetauschers mit mehreren Strömungskreisen;

F i g. 3 eine Teilvorderansicht des in F i g. 2 gezeigten Wärmetauschers;

F i g. 4 eine Endansicht des in F i g. 3 gezeigten Wärmetauschers;

F i g. 5 eine schematische Darstellung der Strömungskreise des in F i g. 2—4 gezeigten Wärmetauschers; und F i g. 6 eine vergrößerte Schnittansichi einer Kapillarrohre für die Zuführung zu einem der Strömungskreise des in F i g. 2—4 gezeigten Wärmetauschers.

F i g. 1 zeigt eine Wärmepumpenanlage mit der einfachsten Form von Wärmetauschern. Die Anlage 10 weist einen Kompressor 11 und zwei Wärmetauscher 12, 13 auf, die aus Rippenrohrschlangen bestehen. Der Wärmetauscher 12 soll im Hause und der Wärmetauscher 13 im Freien angeordnet sein. Die beiden Wärmetauscher 12, 13 sind mit dem Kompressor 11 über ein Vierwegeventil 15 verbunden, mit dem das gasförmige Kältemittel aus dem Kompressor 11 in den einen oder den anderen Wärmetauscher geleitet werden kann.

Die Anlage 10 soll zunächst im Kühlbetrieb beschrieben werden, bei dem der im Freien angeordnete Wärmetauscher 13 als Kondensator dient. Das über die Leitung 16 in den oberen Verteiler 17 gelangende gasförmige Kältemittel strömt durch zwei Wärmetauschzonen des Wärmetauschers 13, eine obere Zone A und eine untere Zone B, abwärts. Die beiden Zonen sind durch den Umkehrbogen 14 voneinander getrennt, der als zwischengeordneter Verteiler wirkt, um das Kältemittel von der einen in die andere Zone zu führen.

Nach dem Durchströmen der beiden Wärmetauschzonen gelangt das Kältemittel in den unteren Verteiler 18, der über die Leitung 23 mit dem unteren Verteiler 31, der dem Wärmetauscher 12 zugeordnet ist, in Verbindung steht. Der untere Verteiler 18 ist über die Leitung 20, die den Wärmetauscher 13 umgeht, auch mit dem oberen Verteiler 17 verbunden. In der Leitung 20 ist ein Rückschlagventil 21 angeordnet. Es ist geschlossen, wenn der Wärmetauscher 13 als Kondensator arbeitet, und zwar durch die Druckdifferenz im Wärmetauscher, wenn das Kältemittel vom gasförmigen in den flüssigen Zustand übergeht. Infolgedessen kann bei Kondensationsbetrieb des Wärmetauschers 13 das flüssige Kältemittel im unteren Verteiler 18 nicht über die Leitung 20 in den oberen Verteiler 17 zurückfließen.

Aus dem unteren Verteiler 18 fließt das flüssige Kältemittel durch die Leitung 23 zu dem Rückschlagventil 24, das sich öffnet, wenn die Anlage im Kühlbetrieb

arbeitet, so daß das flüssige Kältemittel zu dem im Hause angeordneten Wärmetauscher 12 strömt Ein zweites Rückschlagventil 25 ist ebenfalls in der Leitung 23 nahe dem unteren Verteiler 31 angeordnet Das Rückschlagventil 25 arbeitet derart, daß das Kältemittel gezwungen wird, in den Verteiler 27 zu fließen, der, in Strömungsrichtung gesehen, vor dem Rückschlagventil 25 angeordnet ist

Im Verteiler 27 wird das Kältemittel über zwei Kapillarröhren 28,29 in zwei getrennte Ströme unterteilt. Die Kapillarrönren 28,29 münden in den zentral angeordneten Umkehrbogen 30, der mit Bezug auf den Wärmetauscher 12 als Zwischenverteiler dient Die Kapillarröhren 28, 29 erstrecken sich durch den Umkehrbogen 30 und münden tief in dem damit verbundenen Rippenrohr, so daß ein Teil des Kältemittels unter Expansion in die obere Wärmetauschzone C und ein anderer Teil in die untere Wärmetauschzone D des Wärmetauschers 12 geleitet wird. Infolge der herrschenden Dnicke strömt der eine Teil des Kältemittels aufwärts in den oberen Verteiler 33 und der andere Teil abwärts in den unteren Verteiler 31. Wie bei dem im. Freien angeordnete Wärmetauscher 12 ebenfalls eine Leitung 34 auf, die den Wärmetauscher 12 umgeht und den oberen Verteiler 33 mit dem unteren Verteiler 31 verbindet. Ein Rückschlagventil 35 ist in der Leitung 34 so angeordnet, daß es sich bei Kondensationsbetrieb des Wärmetauschers 12 öffnet. Dann sind die beiden Verteiler 31 und 33 mit der Saugseite des Kompressors 11 über die Leitung 36 verbunden, so daß der Kreislauf geschlossen ist.

Bei Betriebsumstellung der Anlage 10 mittels des Vierwegeventils 15 wird die Strömungsrichtung des Kältemittels durch die Anlage 10 umgekehrt. Dadurch ändern sich sowohl die Funktion der beiden Wärmetauscher 12,13 als auch die Stellung der Rückschlagventile 21 und 35, so daß die Leitung 20 geöffnet und die Leitung 34 geschlossen wird. Auch öffnet das Rückschlagventil 25, während das Rückschlagventil 24 schließt.

Gasförmiges Kältemittel strömt nunmehr aus dem Kompressor 11 über die Leitung 36 und den oberen Verteiler 33 durch den im Hause angeordneten Wärmetauscher 12, der nun als Kondensator wirkt, in den unteren Verteiler 31. Dabei passiert es die beiden Wärmetauschzonen C und D in Reihe. Vom unteren Verteiler 31 strömt das Kältemittel durch die Leitung 23 und über den Verteiler 37 zu dem im Freien angeordneten Wärmetauscher 13. Im Verteiler 37 wird das Kältemittel über die Kapillan'öhren 38 und 39 in zwei Ströme aufgeteilt. Die Kapillarröhren 38, 39 erstrecken sich durch den mittleren Umkehrbogen 14 in die Wärmetauschzonen A und B. Der eine Teil des Kältemittels wird so zum unteren Verteiler 18 und der andere Teil zum oberen Verteiler 17 geleitet. Die beiden Verteiler 17,18 sind mit der Saugseite des Kompressors 11 über die Leitung 20 und die Leitung 16 verbunden, um den Kreis zu schließen.

Auf diese Weise strömt bei Kondensationsbetrieb das Kältemittel in Reihe, bei Verdampfungsbetrieb parallel durch die Wärmetauschzonen. Dadurch kann ein optimaler Betrieb der Anlage sowohl bei Heiz- als auch bei Kühlbetrieb erreicht werden.

In F i g. 2 bis 4 ist ein im Freien angeordneter Wärmetauscher, der in einer Wärmepumpenanlage, wie der vorstehend in Verbindung mit F i g. 1 beschriebenen verwendet wird, dargestellt.

Der Wärmetauscher 13 weist zwei vertikale Reihen 40,41 von Rippenrohren auf, die sich durch den Wärmetauscher erstrecken. Rippenrohre einer Reihe 40; 41 sind durch vertikale Umkehrbögen 42 und die Reihen 40, 41 durch horizontale Umkehrbogen 43 zur Bildung einer Anzahl von Kältemittelströmungswegen miteinander verbunden. Die beiden Endabschnitte eines jeden Weges aus dem Wärmetauscher sind durch eines der Rohrhaltebleche, wie zum Beispiel das Rohrhalteblech 45, herausgeführt, so daß die Ein- und Austrittsöffnung eines jeden Weges an einer Seite des Wärmetauschers angeordnet ist

ίο Bei dem gezeigten Wärmetauscher sind sieben Strömungswege vorgesehen, die drei Wärmetauschzonen zugeordnet sind. Selbstverständlich kann die Anzahl der Strömungswege und der Wärmetauschzonen verändert werden, abhängig von der gewünschten Kapazität und anderen Konstruktionserwägungen.

An der Seite des Wärmetauschers sind ein erster Verteiler 47, ein mittlerer Verteiler 48 und ein zweiter Verteiler 49 angeordnet. Der erste und der zweite Verteiler 47 und 49 sind axial fluchtend ausgerichtet und durch das Rückschlagventil 51 voneinander getrennt Das untere Ende des ersten Verteilers 47 steht mit der Leitung 50, die über ein Vierwegeventil (nicht gezeigt) mit dem Kompressor verbunden ist, in Verbindung.
Bei Kondensationsbetrieb wird dem ersten Verteiler 47 über die Leitung 50 gasförmiges Kältemittel mit hoher Temperatur und hohem Druck zugeführt, so daß sich das Rückschlagventil 51 schließt. Durch das Schließen des Rückschlagventils wird die Kammer des ersten Verteilers 47 von der des zweiten Verteilers 49 getrennt Von dem ersten Verteiler 47 wird das Kältemittel über die Leitungen 52 in vier Strömungswegen geführt, welche im unteren Abschnitt des Wärmetauschers angeordnet sind und die Wärmetauschzone fbilden.
Eine vereinfachte schematische Darstellung der Strömung durch den Wärmetauscher ist in Fig.5 gezeigt. Diese schematische Darstellung soll in Verbindung mit Fig.2 bis 4 zum besseren Verständnis der Kältemittelströmung durch den Wärmetauscher beitragen. Nachdem das Kältemittel die vier Strömungswege, die die Wärmetauschzone fbilden, passiert hat, gelangt es über die Leitungen 53 in den mittleren Verteiler 48. Infolge des Druckgefälles bewegt sich das Kältemittel durch den mittleren Verteiler 48 nach oben und wird in die beiden obersten Strömungswege des Wärmetauschers über die Rohre 54 geleitet, die zusammen eine zweite kleinere Wärmetauschzone Fbilden.

Nach dem Passieren der Wärmetauschzone F wird das Kältemittel über Leitungen 56 dem zweiten Verteiler 49 zugeführt und über ein einziges Rohr 58 in den

so letzten Strömungsweg eingeführt. Der letzte Strömungsweg erstreckt sich durch die Wärmetauschzone G, von wo aus das Kältemittel in das Rohr 46 gelangt.

Vorzugsweise ist die Wärmetauschzon^ G im mittleren Abschnitt des Wärmetauschers angeordnet, um die Wärmeübertragungseigenschaften des Wärmetauschers zu verbessern. Wegen der besseren Veranschaulichung ist aber die Wärmetauschzone G im oberen Teil des Wärmetauschers dargestellt.

Das Kältemittel, das nun flüssig ist, strömt von dem Rohr 46 durch das geöffnete Rückschlagventil 61 in eine T-Verbindung 62. Von dort strömt das Kältemittel abwärts durch die Leitung 60 zu dem im Hause liegenden Wärmetauscher (nicht dargestellt).

Somit strömt das Kältemittel vom Kompressor in

b5 Reihe durch die Wärmetauschzone. Weiterhin nimmt die Anzahl der Strömungswege in jeder Zone in Strömungsrichtung ab. Durch diese Unterteilung des Wärmetauschers wird der Zunahme der Dichte des Kälte-

mittels Rechnung getragen und ein optimaler Kondensationsbetrieb erzielt.

Beim Heizbetrieb wird flüssiges Kältemittel über die Leitung 60 zugeführt. Da das Rückschlagventil 61 infolge der Druckdifferenz geschlossen ist, strömt das Kältemittel in den weiteren Verteiler 63, in welchem der Kältemittelstrom mittels der Kapillarröhren 65 in sieben Strömungswege aufgeteilt wird, wobei die Anzahl der Kapillarröhren gleich der Anzahl der Strömungswege im Wärmetauscher ist.

Wie aus F i g. 5 zu ersehen, erstrecken sich sechs Kapillarröhren 65 durch den mittleren Verteiler 48 und münden in die Rohre 54 die den zwei Strömungswegen der Wärmetauschzone F, und in die Leitungen 53, die den vier Strömungswegen der Wärmetauschzone E zugeordnet sind. Die Kapillarröhren 65 erstrecken sich tief in die verschiedenen Strömungswegrohre, um sicherzustellen, daß das die Kapillarröhren 65 passierende Kältemittel in jedem Strömungsweg gut expandiert. Dies schließt ferner aus, daß das Kältemittel über den mittleren Verteiler 48 zwischen die Strömungswege gelangt.

Die siebte Kapillarröhre erstreckt sich in das Rohr 46, in dem im wesentlichen der gleiche Druck wie im mittleren Verteiler 48 herrscht. Das Rohr 46 versorgt den Strömungsweg, der der Wärmetauschzone G zugeordnet ist.

Bei diesem Betrieb ist das Rückschlagventil 51 zwischen den Verteilern 47, 49 geöffnet, so daß ein Strömungsweg gebildet ist, der über die Leitung 50 zum Kompressor führt. Die sieben Strömungswege sind so angeordnet, daß sie sich in die Verteiler 47,49 entleeren, wenn der Wärmetauscher als Verdampfer dient. Die den Wärmetauschzonen C und F zugeordneten Strömungswege entleeren sich über die Leitungen 56 und das Rohr 58 in den zweiten Verteiler 49, während die vier der Wärmetauschzone E zugeordneten Strömungswege sich über die Leitungen 52 in den ersten Verteiler 47 entleeren.

Wenn der Wärmetauscher in der Anlage als Verdampfer betrieben wird, strömt somit das Kältemittel parallel durch alle Strömungswege und durch alle Wärmetauschzonen. Durch diese parallele Strömung kann ein optimaler Verdampferbetrieb erzielt werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

50

55

60

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   t. Wärmepumpenanlagc mit einem Kompressor und zwei in mehrere Wärmetauschzonen unterteilten Wärmetauschern, die jeweils einen ersten Verteiler mit mehreren parallelen Strömungswegen für das Kältemittel durch die erste Wärmetauschzone und Entspannungseinrichtungen für das Kältemittel aufweisen, sowie mit einem umschaltbaren Vierwegeventil zum Umkehren der Kältemittelströmung, derart, daß die zwei Wärmetauscher sowohl als Kondensatoren als auch als Verdampfer dienen, wobei im Kondensationsbetrieb die Wärmetauschzonen bei abnehmender Anzahl der Strömungswege vom Kältemittel hintereinander und im Verdampfungsbetrieb parallel durchströmt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauschzonen (E, F, G) bezogen auf die Höhe der Wärmetauscher übereinander engeordnet sind und die Anzahl der Strömungswege (52, 53; 54, 56; 46, 58) in den Wärmetauschzonen (E, F, C) an die Zunahme der Dichte des Kältemittels bei Kondensationsbetrieb angepaßt ist, daß ein mittlerer Verteiler (48) der ersten und der zweiten Wärmetauschzone (E, F) und ein zweiter Verteiler (49) der zweiten und der letzten Wärmetauschzone (F, G) zugeordnet ist, wobei zwischen dem zweiten Verteiler (49) und dem ersten Verteiler (47) ein Rückschlagventil (51) vorgesehen ist, und daß die Entspannungseinrichtungen als Kapillarröhren (65) ausgebildet sind, welche von einem weiteren Verteiler (63) in jeden einzelnen Strömungsweg des Kältemittels geführt sind.
2. 2. Wärmepumpenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die letzte Wärmetauschzone (G)nur einen Strömungsweg aufweist.
3. 3. Wärmepumpenanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die letzte Wärmetauschzone (G) im mittleren Abschnitt des Wärmetauschers angeordnet ist.