DE2830421A1

DE2830421A1 - Waermepumpenanlage, deren im waermepumpenkreislauf liegender verdichter von einer verbrennungskraftmaschine angetrieben ist

Info

Publication number: DE2830421A1
Application number: DE19782830421
Authority: DE
Inventors: Franz Dr Ing Bogdanski; Theodor Prof Dr Ing Rummel
Original assignee: KUEPPERSBUSCH
Current assignee: KUEPPERSBUSCH
Priority date: 1978-07-11
Filing date: 1978-07-11
Publication date: 1980-01-24

Description

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ια%ϊ^ζ & HUFNAGEL PATENTANWÄLTE

LANDWEHRSTR. 37 8OOO MÜNCHEN 2 TEL. O 89 / 59 67 84

München, den 21. Juni 19/Ö / Anwaltsaktenz. : 21? - Pat. 3

Professor Dr.-lug. Theodor Kümmel, Freihorstfeld kl, 3000 Ijauuover 71

* Wärmepumpenanlage , deren im Y/äriiiepuinpenkreislauf liegender

Verdichter· von einer Verbrennungskraftmaschine angetrieben ist

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärniepumpenaulage, deren im Warmepuinpeiikreislauf liegender Verdichter von einer Verbrennungskraftmaschine angetrieben ist, der eine elektrische Waschine zugeordnet ist. Allgemein bekannt sind Wärmepumpenanlagen, welche mittels Dieselmotoren oder mittels Gasturbinen betrieben werden, die den Verdichter des Wärmeputupeukreislaufes antreiben. Die Verbrennungskraftmaschinen benötigen einen Anlasser, welcher im allgemeinen in Gestalt eines elektrischen Anlassermotors vorgesehen ist.

Bei den bekannten Anlagen erweist es sich als Nachteil, daß der Anlassermotor hohe Anlagekosten verursacht, im Betrieb jedoch abgesehen von den vergleichsweise sehr kurzen Anlaßphasen nicht benutzt wird. Ein weiterer, hiervon unabhängiger IJachteil bekannter Wärmepumpenanlagen besteht darin., daß im Falle tiefer !

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Temperaturen des in der Umgebung vorhandenen, durch den Wärmepumpenkreislauf abgekühlten Mediums der Verdichter des Wärmepumpenkreislaufes nur mehr einen Teil der Leistung der Verbrennungskraftmaschine abnimmt, welche sodann in einem Bereich schlechten Wirkungsgrades betrieben werden muß und außerdem nicht mehr in der Lage ist, die von dem System geforderte Energie über den Verdichter in den Wärmepumpenkreislauf einzuspeisen.

Durch die vorliegende Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, eine Wärmepumpenanlage der eingangs kurz beschriebenen Art so auszugestalten, daß einerseits die schlechte Ausnützung der Anlaßeinrichtungen vermieden und die Schwierigkeit beseitigt wird, welche sich bei niedrigen Temperaturen des Umgebungsmediums am Orte des Verdampfer- Wärmetauschers des Wärmepximpenkreislaufes einstellt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß elektrische Maschine mit den Wellen der Verbrennungskraftmaschine und des Verdichters derart gekuppelt oder kuppelbar' und so ausgelegt ist, daß sie sowohl als Aiilaßmotor für die Verbrennungskraftmaschine als auch als Generator betreibbar ist, dessen elektrische Leistung über einen Hilfswärmetauscher dem Wärmepumpenkreislauf und/oder einem mit diesem gekoppelten Heizkreislauf zuführbar ist.

Die der Verbrennungskraftmaschine und dem Verdichter zugeordnete elektrische Maschine erfüllt also bei einer derartigen Wärmepumpenanlage eine doppelte Aufgabe und ermöglicht insbesondere einen Nennlastbetrieb der Verbrennungskraftmaschine auch bei niedrigen Temperaturen des Umgeburigsmediums am Orte des Verdampfer- Wärmetauschers des Wärmepumpenkreislaufes, da diejenige Leistung der Verbrennungskraftmaschine, welche nicht über den Verdichter des Wärmepumpenkreislaufes diesem aufgeprägt werden kann, über den Hilfswärmetauscher durch den die Verbrennungskraftmaschine ebenfalls belastenden Generator eingespeist werden kann.

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Die Einschaltung des Generatorbetriebes der elektrischen Maschine kann selbsttätig dann erfolgen, wenn die Leistungsaufnahme des Verdichters des Wärinepumpenkreislaufes von der Verbrennungskraftmaschine her unter einen bestimmten Wert abfällt. Die selbsttätige Einschaltung des Generatorbetriebes kann demgemäß thermostatisch in Abhängigkeit von einer Wärmetauschmitteltemperatur des Wärmepumpenkreislaufes, insbesondere im Verdampfer- Wärmetauscher oder aber abhängig von der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine erfolgen, etwa derart, daß der Generatorbetrieb der elektrischen Maschine eingestellt wird, sobald sich die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine über einen bestimmten Wert erhöht.

Die Ausnützung der der Verbrennungskraftmaschine und dem Verdichter zugeordneten elektrischen Maschine bezüglich der Anlagekosten läßt sich weiter verbessern, wenn die elektrische Maschine mindestens zeitweise als Tachogenerator zur Bestimmung der Drehzahl der Wärmekraftmaschine geschaltet ist. Hierzu kann etwa eine Steuereinheit vorgesehen sein, welche zunächst die elektrische Maschine derart an das Netz legt und eine solche Erregung einstellt, daß ausgehend vom Stillstand die Verbrennungskraftmaschine angeworfen wird. Eine bestimmte Zeitdauer hiernach kann eine Umschaltung auf Tachogeneratorbetrieb der elektrischen Maschine durch die Steuereinheit veranlaßt werden, um festzustellen, ob der Anlaßvorgang erfolgreich war und die Drehzahl des Maschinensatzes über diejenige Drehzahl angestiegen ist, welche zunächst durch die als Anlaßmotor arbeitende elektrische Maschine erzeugt worden war.

Erfolgt aber das Anlassen etwa mit JNenndrehzahl, so kann eine bestimmte Zeit nach Beendigung des Anlaßvorganges das Weiterlaufen des Maschinensatzes durch Kontiollmessungen an der sodann als Generator geschalteten elektrischen Maschine festgestellt werden. Solche Kontrollmessungen können den Strom, die Spannung, die Frequenz oder die Phasenlage erfassen.

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Im übrigen bilden zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen Gegenstand der anliegenden Ansprüche, auf welche hier zur Vereinfachung und Verkürzung der Beschreibung hingewiesen wird, ohne den Wortlaut nochmals an dieser Stelle zu wiederholen.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die anliegende, schematische Zeichnung erläutert, in welcher eine Wärmepumpenanlage der hier vorgeschlagenen Art teilweise in Blocksymbolen vereinfacht dargestellt ist.

Die in der Zeichnung gezeigte Wärmepumpenanlage enthält eine Verbrennungskraftmaschine 1, einen mit dieser gekuppelten Verdichter 2 und einen mit der Welle der Verbrennungskraftmaschine und des Verdichters ebenfalls gekuppelte elektrische Maschine 3· Während in der Zeichnung eine unmittelbare, feste Kupplung zwischen den Maschinen 1, 2 und 3 angedeutet ist, kann die Verbindung auch über ein- und ausrückbare Kupplungen oder Überholkupplungen oder Magnetkupplungen hergestellt sein. Ferner können im Bereich der Kupplungen Getriebe zwischengeschaltet sein, welche eine gewisse Drehzahlabstufung zwischen den Maschinen 1, 2 und 3 einführen. Auch können in der Anordnung der Verdichter 2 und die elektrische Maschine 3 vertauscht sein.

Der Verdichter 2 liegt in einem Wärmepumpenkreislauf 4, der einen mit einem Nutz-Wärmetauschmittelkreislauf 5 gekoppelten Wärmetauscher 6, ein Entspannungsventil 7i einen Verdampfer-Wärmetauscher 8 und einen bezüglich seiner Bedeutung weiter unten beschriebenen Hilfswärmetauscher 9 enthält. Der Verdampfer-Wärmetauscher 8 bewirkt, daß der mittels eines Lüfters 10 am Wärmetauscher vorbeigeförderten Umgebungsluft oder einem anderen Energiereservoir, beispielsweise dem Grundwasser, dem Erdreich oder dergl., durch das im.Wärmepumpenkreislauf 4 zirkulierende, in des Ventil 7 entspannte Kältemittel unter Verdampfung desselben Wärme entzogen wird.

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Sinkt die Temperatur der Umgebungsluft bzw. des betreffenden Energiereservoirs so weit ab, daß die durch den Verdampfer-Wärmetauscher dem Wärmetauschmittel des Wärmepumpeiikreislaufes zugeführte Wärme vergleichsweise gering ist, so nimmt der Verdichter 2 zur Verdichtung dieses nicht nehr ausreichend erwärmten Wärmetauschmittels von der Verbrennungskraftmaschine 1 nur mehr eine Teillast ab. In diesem Falle wird ein von der Verbrennungskraftmaschine 1 frei verfügbarer Leistungsanteil durch die elektrische Maschine 3 aufgenommen. Diese ist über Leitungen 11 mit einer Steuereinheit 12 verbunden, die ihrerseits an ein elektrisches Netz 13 angeschlossen ist. Die Steuereinheit hat ferner eine Leitung lk mit einem Meßfühler 15 Verbindung, der auf die Temperatur der von dem Lüfter 10 durch den Wärmetauscher 8 geförderten Luft bzw. auf die Temperatur des betreffenden Energiereservoirs anspricht. Außerdem verbindet eine Leitung l6 die Steuereinheit 12 mit dem zuvor erwähnten Hilfswärmetauscher 9«

Stellt der Meßfühler 15 eine Umgebungslufttemperatur bzw. Wärmequellentemperatur fest, welche zu einem Teillastbetrieb der Verbrennungskraftmaschine 1 aufgrund der soeben kurz beschriebenen Vorgänge führen würde, so wird ein Meßsignal über die Leitung lk an die Steuereinheit 12 abgegeben. Diese bewirkt eine solche Erregung der elektrischen Maschine 3? daß diese als Generator arbeitet sowie eine solche Verbindung des Generatorausganges mit dem HUfs- Wärmetauscher 9, daß die Ausgangsleistung des Generators in den mit dem Wärmepumpenkreislauf 4 gekoppelten Heizkreislauf 5 gespeist wird. Der Hilfswärmetauscher 9 kann ein elektrischer Tauchsieder sein, der vom Medium, z. B. dem Wasser des Heizkreislaufes 5 umströmt wird.

Wie in der Zeichnung angedeutet, enthält die Steuereinheit 12 auch eine Drehzahlmeßeinrichtung 17» welche die Drehzahl der Maschinen 1, 2 und 3 anzeigt, wenn die elektrische Maschine 3 als Tachogenerator geschaltet ist. Wird die gesamte Anlage aus dem Stillstand hochgefahren, so führt die Steuereinheit 12 der elektrischen Maschine 3 von dem elektrischen Netz 13 her zunächst die notwendigen Spannungen zu, um einen Motorbetrieb der elek-

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trischen Maschine 3 zu erzeugen, durch welchen die Verbrennungskraftmaschine 1 angelassen oder angeworfen wird. Nach dem Anlaßvorgang wird der Motorbetrieb unterbrochen und die Steuereinheit 12 schaltet auf Tachogeneratorbetrieb der elektrischen Maschine 3 um, so daß die Meßeinrichtung 17 mit der elektrischen Maschine 3 verbunden wird und gleichzeitig die elektrische Maschine entsprechend erregt wird. Das Ergebnis der Drehzahlmessung zeigt an, ob der Anlaßvorgang erfolgreich abgeschlossen ist. Wie bereits angedeutet kann die Drehzahl durch eine Frequenzmessung und/oder eine Strommessung oder durch eine Messung der Phasenlage zwischen Strom und Spannung im Falle der Verwendung einer Drehstrom- oder Einphasen- Asynchronmaschine bestimmt werden.

An die Kontrollmessung bezüglich des Anlaßvorganges kann sich die Drehzahlüberwachung während des Betriebes anschließen.

Tritt dann der unerwünschte Teillastbetrieb bezüglich des Verdichters 2 auf, so schaltet die Steuereinheit 12 in der zuvor beschriebenen Weise auf Generatorbetrieb der elektrischen Maechine 3 unter Speisung des Hilfswärmetauschers 9 um.

Die elektrische Maschine 3 kann weiter so ausgelegt sein, daß sie dazu in der Lage ist, zu tarifgünstigen Zeiten alleine den Verdichter 2 und damit den Wärmepumpenkreislauf k zu betreiben. Vorzugsweise ist in diesem Falle zwischen der Verbrennungskraftmaschine 1 und dem Verdichter 2 eine Kupplung vorgesehen, welche durch ein Stellsignal der Steuereinheit 12 eingerückt oder ausgerückt werden kann, um bei einem Betrieb des Verdichters 2 unter Antrieb der elektrischen Maschine 3 allein ein Mitlaufen der Verbrennungskraftmaschine 1 zu vermeiden.

In der Zeichnung ist weiterhin angedeutet, daß die AbWärmen der Verbrennungskraftmaschine, des Verdichters und der elektrischen Maschine in an sich bekannter Weise ebenfalls dem Heizkreislauf zugeführt werden können, was in der Zeichnung durch eine strichpunktierte Umrandungslinie 8 deutlich gemacht ist. Die erforderlichen Wärmetauscher sind zur Vereinfachung der Darstellung

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weggelassen. Bezüglich der Verbrennungskraftmaschine 1 umfaßt die Abwärmeausnützung in dieser Weise die Nutzung der Wärme eines gegebenenfalls vorhandenen Kühlwasserkreislaufes, die Nutzung der Abgasrestwärme und die Nutzung der durch die Oberfläche des Motorblockes und gegebenenfalls der Rohrleitungen und Armaturen austretenden Wärmeenergie.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

(l) Wärmepumpenanlage, deren im Wärmepumpenkreislauf liegender Verdichter von einer Verbrennungskraftmaschine angetrieben ist, der eine elektrische Maschine zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Maschine (3) mit den Wellen der Verbrennungskraftmaschine (l) und des Verdichters (2) derart gekuppelt oder kuppelbar und so ausgelegt ist, daß sie sowohl als Anlaßmotor für die Verbrennungskraftmaschine als auch als Generator betreibbar ist, dessen elektrische Leistung über einen Hilfswärmetauscher (9) dem Wärmepumpenkreislauf (4) und/oder einem damit gekoppelten Heizkreislauf (5) zuführbar ist.
2. Wärmepumpenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschaltung des Generatorbetriebes der elektrischen Maschine (3) selbsttätig dann erfolgt, wenn die Leistungsaufnahme des Verdichters (2) des Wärmepumpenkreislaufes (k) von der Verbrennungskraftmaschine (l) her unter einen bestimmten Wert abfällt.
3· Wärmepumpenanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschaltung des Generatorbetriebes der elektrischen Maschine (3) thermostatisch (15, 1^i 12) in Abhängigkeit von einer Wärmetauschmitteltemperatur des Wärmepumpenkreislaufes insbesondere im Verdampfer- Wärmetauscher (8) erfolgt.
k. Wärmepumpenanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschaltung des Generatorbetriebes der elektrischen Maschine (3) abhängig von der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine (l) erfolgt.
5· Wärmepumpenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Maschine (3) mindestens zeitweise als Tachogenerator zur Bestimmung der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine (l) geschaltet ist (12).

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6. Wärmepumpenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5i dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Maschine (3) so geschaltet und ausgelegt ist, daß sie auch alleine netzgespeist (13) den Verdichter (2) des Wärmepumpenkreislaufes (k) anzutreiben vermag.
7. Wärmepumpenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungskraftmaschine (l) mit dem Verdichter (2) bzw. der elektrischen Maschine (3) über eine Magnetkupplung oder eine Überholkupplung gekuppelt ist.
8. Wärmepumpenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7 t dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Maschine (3) mit dem Verdichter (2) bzw. mit der Verbrennungskraftmaschine (l) über eine Magnetkupplung oder eine Überholkupplung gekuppelt ist.

9· Wärmepumpenaxilage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlustwärmen der Verbrennungskraftmaschine (l), des Verdichters (2) und der elektrischen Maschine (3) über weitere HiIfswärmetauseher dem Heizkreislauf (5) zuführbar sind (l8).