DE2944299A1

DE2944299A1 - Waermepumpenanlage

Info

Publication number: DE2944299A1
Application number: DE19792944299
Authority: DE
Inventors: Uwe Walter Ing.(grad.) 7085 Bopfingen Scharpf
Original assignee: SCHARPF UWE WALTER ING
Current assignee: SCHARPF UWE WALTER ING
Priority date: 1979-11-02
Filing date: 1979-11-02
Publication date: 1981-05-21

Description

HOFFMANN SITtIL & PARTNER 2 9 4 A 2 9

PATE NTAN WALTE D*. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) . DlPL.-ING. W.E ITLE . OX. RER. NAT. K. HOFFMANN · DlPl.-ING. W. IEHN

OIPl.-ING. K. FOCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELIASTRASSE 4 (STERNHAUS) · 0-8000 MONCH EN 81 · TELE FON (089) 911087 · TELEX 0S-2M1» (PATHE)

32 697 p/tp

Uwe Walter Scharpf, Brühlstr. 16, 7o85 Bopfingen

Wärmepumpenanlage

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmepumpenanlage gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei den bisher bekannt gewordenen Anlagen wird ein geschlossener Kreislauf verwendet, welcher sich aus einem Verdampfer, einem Verdichter und einer Kondensationsschlange zusammensetzt. Diese Kondensationsschlange befindet sich in einem Wasserbad eines Behälters, in dem

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das Wasser im unteren Bereich der Kondensationsschlange zugeführt und im oberen Bereich der Kondensationsschlange abgeführt wird. In Abhängigkeit von der Temperatur des Nutzungsmediums, beispielsweise der Umgebungsluft, muß das zu verdampfende Arbeitsmedium am Ende des Verdampfers immer wieder auf dieselbe Temperatur zurückgebracht werden. Dabei verdampft ein Teil des flüssigen Frigensaufgrund seiner inneren Wärme. Dies bedeutet, daß die Aufnahmefähigkeit des Arbeitsmediums für die dem Nutzungsmedium innewohnende Energie abnimmt. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Temperatur des flüssigen Arbeitsmediums vor dem Wiedereintreten in den Verdampfer noch relativ hoch ist. Außerdem besteht nach einem derartigen System nicht die Möglichkeit, die Wärmeenergie weitgehend auszunutzen, die dem flüssigen Arbeitsmedium nach dem Kondensieren und der Wärmeabgabe an das zu erwärmende Medium noch innewohnt.

Man hat bereits dadurch versucht, die vorgenannte Temperaturdifferenz gering zu halten, indem man das flüssige Arbeitsmedium zwischen dem Verdampfer und dem Verdichter dem gasförmigen Medium zugeführt hat. Dadurch kann die Energie des gasförmigen Arbeitsmediums unter Ausnutzung von Restenergie des flüssigen Arbeitsmediums erhöht und die Wiedereintrittstemperatur des flüssigen Arbeitsmediums in den Verdampfer erniedrigt und somit die genannte Temperaturdifferenz gering gehalten werden. Durch dieses System ist ein Energiegewinn von 12 % -irzielbar.

Gegenüber diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine darüber hinaus gehende Wirkungsgradverbesserung zu erzielen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Haupt- und ein Nebenkreislauf verwendet wird, und daß diese Kreisläufe derart miteinander verknüpft werden, daß die Restenergie des flüssigen Arbeitsmediums zumindest des Hauptkreislaufes genutzt werden kann. Die das flüssige Arbeitsmedium

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führende Leitung des Hauptkreislaufes durchläuft vor dem Wiedereintritt in den Verdampfer einen als Verdampfer des Nebenkreislaufes ausgebildeten Wärmeaustauscher. Die Leitung des flüssigen Arbeitsmediums des Nebenkreislaufes wird unmittelbar oder mittelbar in den Verdampfungsraum des Verdampfers des Nebenkreislaufes gespritzt. Aufgrund der vom flüssigen Arbeitsmedium zumindest des Hauptkreislaufes im vorgenannten Verdampfungsraum abgegebene Wärme wird das flüsgie Arbeitsmedium des Nebenkreislaufes verdampft und gelangt dann in den Verdichter des Nebenkreislaufes und von dort wieder in gasförmigem Zustand in den wärmeabgebenden Kondensationsteil. Durch diese Maßnahme kann auf ganz erhebliche Weise die Temperatur des in den Verdampfer des Hauptkreislaufes gelangenden flüssigen Arbeitsmediums in die Nähe des den Verdampfer verlassenden gasförmigen Arbeitsmediums gebracht werden, so daß die eingangs genannte Aufnahmefähigkeit des Arbeitsmediums erhöht wird. Außerdem dient die Restenergie des flüssigen Arbeitsmediums gegebenenfalls beider Kreisläufe der Verdampfung des Arbeitsmediums des Nebenkreislaufes. Hierdurch ist ein Energiegewinn von 5o % bis 60 % erzielbar.

Dies bedeutet, daß die Kälteleistung des Verdichters des Nebenkreislaufes als Kältegewinn am Verdichter des ersten Kreislaufes auftritt. Dabei hat der Verdichter des Nebenkreislaufes vorzugsweise eine Kälteleistung von 4o % des Verdichters des Hauptkreislaufes.

Außerdem besteht der wesentliche Vorteil, daß der Verdichter des Nebenkreislaufes in seinem optimalen Wirkungsbereich betrieben werden kann, was bei einem einzigen Kreislauf nicht möglich wäre.

Eine vorteilhafte Weiterbildung ist darin zu sehen, daß zwischen dem am Boden des Behälters befindlichen Einlaß des zu

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erwärmenden Wassers und dem am oberen Ende des Behälters befindlichen Auslaß des zu erwärmenden Wassers an gewünschter Stelle ein weiterer Einlaß und Auslaß für das zu erwärmende Wasser vorgesehen sind. Dadurch besteht die Möglichkeit, Wasser auf verschiedenen Wärmeniveaus abzuzapfen und beispielsweise bei Verwendung der Wärmepumpenanlage für die Heizung einerseits Wasser für die Fußbodenheizung und andererseits für das Wasser der Heizung über Radiatoren abzuzweigen.

Schließlich besteht noch eine Möglichkeit, im Behälter einen zusätzlichen Wärmeaustauscher vorzusehen, der an Sonnenkollektoren angeschlossen ist, so daß dann die Wärmepumpenanlage abgeschaltet werden kann, wenn Sonnenenergie zur Verfügung steht und diese Sonnenenergie ausreichend ist, einen entsprechenden Erwärmungsvorgang zu vollziehen. Gegebenenfalls kann das eine oder andere System die Restenergie erbringen, um das Wasser auf die gewünschte Temperatur zu erwärmen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, der in der Zeichnung rein schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele.

Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Wärmepumpenanlage, insbesondere zur Erwärmung von Wasser mittels eines Kühl-Arbeitsmediums.

Die Anlage besteht aus einem Gehäuse 1o,welches von einem Zwischengehäuse 12 in einen oberen Geräteraum 14 und einen unteren Wasserbehälter 16 unterteilt ist. Am unteren Ende des Wasserbehälters 16 befindet sich ein Wassereinlaß 18 und am oberen Ende des Behälters ein Wasserauslaß 2o.

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An dieser Stelle soll darauf hingewiesen werden, daß rein beispielsweise als zu erwärmendes Medium Wasser, als Arbeitsmedium Frigen und als Nutzungsmedium Umgebungsluft verwendet wird.

Die schematisch dargestellte Anlage wird mit zwei Kreisläufen betrieben, die beide mit Frigen arbeiten und betriebsmäßig miteinander verknüpft sind. Der erste Kreislauf, welcher als Hauptkreislauf bezeichnet wird, besteht aus einem Verdampfer 22, einer Verbindungsleitung 24, einem sich daran anschließenden Verdichter 26, einer sich daran anschließenden Heizschlange und einer sich daran anschließenden wieder zum Verdampfer 22 führenden Leitung 3o und 3ο'. Die entsprechenden Verbindungsleitungen des Hauptkreislaufes sind in ausgezogenen Linien dargestellt.

Demgegenüber sind die Leitungen des zweiten Kreislaufes, welcher im folgenden Nebenkreislauf genannt wird, in unterbrochenen Linien dargestellt. Dieser Nebenkreislauf besteht aus einem Verdampfer 32, einer zu einem Verdichter 36 führenden Leitung und einer sich daran anschließenden Heizschlange 38, welche in eine Leitung 4o mündet. Diese Leitung 4o durchläuft den Verdampferraum des Verdampfers 32 und geht von dort in eine Leitung 4o' über, welche in den Verdampferraum des Verdampfers mündet. Das in den Verdampferraum mündende flüssige Frigen verdampft und gelangt vom Verdampferraum in die Leitung 34 und von dort wiederum in den Verdichter. Das Frigen des Nebenkreislaufes kann von der Leitung 4o aus auch unmittelbar in den Verdampfungsraum gespritzt v/erden.

Die Heizschlangen 28 und 38 unterteilen sich in einen überhitzerteil A und einen Kondensationsteil B. Im Uberhitzerteil gibt das Arbeitsmedium ohne Verflüssigung, d. h. im gasförmigen Zu-

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stand Wärme ab. Im Kondensationsteil wird die bei der Kondensation frei werdende Wärme an das Wasser im Behälter 16 abgegeben.

Nachfolgend wird das Funktionsprinzip der Anlage beschrieben, wobei die Temperaturen des Frigens an den entsprechenden Stellen in der Zeichung angegeben ist. Die Ausgangstemperatur von 0° C hinter dem Verdampfer 22 richtet sich nach der Umgebungsluft, die das Frigen zum Verdampfen bringt. Das gasförmige Frigen wird im Verdichter 26 verdichtet und entströmt dem Verdichter mit einer Temperatur von 6o° bis 165° C. Von dort durchströmt das Frigen den Überhitzerteil A der Heizschlange 28 und kondensiert, d. h. verflüssigt sich im Kondensationsteil B. Das zu erwärmende Wasser wird durch den Einlaß 18 von unten eingeleitet und vorzugsweise entgegen dem Frigenstrom tangential zur Heizschlange geführt, so daß eine gleichmäßige Erwärmung innerhalb des Behälters 16 erfolgt. Das mit 5o C einströmende Wasser strömt mit einer Temperatur von 6o C aus dem obenliegenden Auslaß 2o aus.

Das Frigen des Hauptkreislaufes durchströmt dann in seiner Leitung 4o den Verdampfer 32 des Nebenkreislaufes und kühlt sich dabei von einer Temperatur von 5o° - 55 C auf eine Temperatur von 15° C ab. Das Frigen des Nebenkreislaufes durchströmt den Uberhitzerteil der Heizschlange 38 unter Abgabe von Wärme an das im Behälter 16 befindliche Wasser und strömt weiter bis zum Boden des Behälters 16 und erreicht dort eine Temperatur von 5o° - 55° C. Die Leitung 4o des Nebenkreislaufes ist in der gleichen Richtung durch den Verdampfer 32 des Nebenkreislaufes geführt, wie die Leitung 3o des Hauptkreislaufes. Nachdem die Leitung 4o den Verdampfer verlassen hat, geht die Leitung in eine Leitung 4o' über, die über ein Einspritzventil in den Verdampferraum des Verdampfers 32 mündet. Dort verdampft das Frigen infolge vom flüssigen Frigen des Haupt- und Nebenkreislaufes über die Leitungen 3o und 4o abgegebenen Wärme. Das

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Das gasförmige Frigen verläßt den Verdampfer 32 über die Leitung 34 und gelangt in den Verdichter 36, um erneut in die Heizschlange 38 abgegeben zu werden. Das flüssige Frigen des Nebenkreislaufes hat in der Leitung 4o' ebenfalls eine Temperatur von 15° C.

Die Heizschlangen sind vorzugsweise besonders lang ausgebildet, damit ein langsamer Druckabfall auftritt und insofern die Kondensation des Frigens verzögert und ein großer Teil der dem Frigen innewohnende Wärme an das Wasser abgegeben werden kann.

Durch das angegebene Verfahren und durch die Verknüpfung der Kreisläufe wird die Restwärme des kondensierten Frigens beider Kreisläufe zur Verdampfung des Frigens des Nebenkreislaufes verwendet und insofern hinsichtlich eines Energiegewinns nutzbar gemacht. Zugleich wird bewirkt, daß das flüssige Frigen des Hauptkreislaufes auf eine Temperatur gebracht wird, welche der Temperatur des den Verdampfer 22 verlassenden gasförmigen Frigens sehr nahe ist.

Durch dieses System ist ein Energiegewinn von 5o % - 6o % möglich, wobei der zweite Kompressor im günstigsten Wirkungsbereich bei 1o° - 15° C arbeiten kann. Dies bedeutet, daß die Kälteleistung des Verdichters des Nebenkreislaufes als Kältegewinn des Verdichters des Hauptkreislaufes auftritt. Dabei übernimmt der Verdichter des Nebenkreislaufes 4o % der Kälteleistung des Verdichters des Hauptkreislaufes.

Das im Behälter 16 befindliche Wasser weist insbesondere durch die besondere tangentiale Einführung des Wassers im unteren Bereich von unten nach oben eine gleichmäßige Temperaturverteilung hinsichtlich einer zunehmenden Temperatur auf. Dadurch besteht die Möglichkeit, wie dies in der Zeichnung strichpunktiert dargestellt ist, zwischen dem Haupteinlaß 18 und Hauptauslaß einen Nebeneinlaß 42 und einen Nebenauslaß 44 vorzusehen. Dies bedeutet, daß das am unteren Ende des Behälters 16 über den Einlaß 13 eingeführte Wasser durch den Auslaß 44 beispielsweise

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bei einer Temperatur von 56 C entnommen werden kann. Durch die in der Nähe der Auslaßleitung 44 befindliche Einlaßleitung 42 wird ebenfalls durch den Wassereinlaß 18 Wasser mit einer Temperatur von 5o° C eingeleitet, welches mit einer Temperatur von 6o C dem Auslaß 2o entnehmbar ist. Dies bedeutet, daß insbesondere für Heizzwecke, ggf. aber auch für andere Zwecke, dem Behälter 16 Wasser unterschiedlicher Temperatur entnommen werden kann, um beispielsweise eine Fußbodenheizung mit dem Wasser niedrigerer Temperatur und die Radioatoren mit dem Wasser höherer Temperatur zu versorgen.

Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, einen nicht dargestellten zusätzlichen Wärmeaustauscher vorzusehen, welcher im Behälter 16 untergebracht ist und vom im Behälter 16 befindlichen Wasser umgeben ist. Dieser Wärmeaustauscher ist vorzugsweise im unmittelbaren Wirkungsbereich der Heizschlangen 28 und 38 untergebracht. Dieser Wärmeaustauscher 46 ist an nicht dargestellten Sonnenkollektoren angeschlossen und kann parallel zur Wärmepumpe die Aufheizung des Brauchwassers vornehmen.

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Claims

HOFFMANJ* · EiTLE Oc PARTNER PAT E NTAN WÄLTK 2 9 4 4 /. " Ό DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) · D I PL.-I N G. W.EITLE · DR. RE R. NAT. K. HOFFMAN N . Dl Pl.-I NG. W. IEH N DIPL.-ING. K.FOCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARA3EUASTRASSE 4 (STERNHAUS) · D-8000 MO N CH EN 81 · TELEFON (089) »11087 · TELEX 05-29il9 (PATH E) 32 697 p/tp Uwe Walter Scharpf, Brühlstr. 16, 7o85 Bopfingen Wärmepumpenanlage Patentansprüche

1./ Wärmepumpenanlage mit Verdampfer, Verdichter und Kondensationsteil, wobei diese Teile einen ein Arbeitsmedium führenden, geschlossenen Kreislauf bilden, und mit einem das zu erwärmende Medium und den Kondensationsteil enthaltenden Behälter, wobei das zu erwärmende Medium und das Arbeitsmedium im Gegenstrom fließen, dadurch gekennzeichnet , daß ein weiterer geschlossener Nebenkreislauf mit Verdampfer (32), Verdichter (36) und Kondensationsteil (38) vorgesehen ist, der mit dem Hauptkreislauf dahingehend wirkungsmäßig in Verbindung steht, daß die das flüssige Arbeitsmedium des Hauptkreislaufs vor dessen Wiedereintreten in den zugehörigen Verdampfer (22) führende Leitung (3o, 3o') durch den dem Nebenkreislauf zugeordneten Verdampfer (32) geführt ist und daß das flüssige Arbeitsmedium des Nebenkreislaufes vor dem Wiedereintreten in den Verdichter (36) in den dem Nebenkreislauf zugeordneten Verdampfer gespritzt wird und das dabei entstehende dampfförmige Arbeitsmedium in den Verdichter (36) des Nebenkreislaufs geführt wird.

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2. Wärmepumpenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die das flüssige Arbeitsmedium des Nebenkreislaufs vor dessen Wiedereintreten in den zugehörigen Verdichter (36) führende Leitung (4o, 4o', 34) durch den dem Nebenkreislauf zugeordneten Verdampfer (32) geführt ist und anschließend dieses Arbeitsmedium in diesen Verdampfer gespritzt wird.

3. Wärmepumpenanlage nach den Ansprüchen 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Arbeitsmedium Frigen und das zu erwärmende Wasser ist, wobei eine Wasser-Einlaßleitung (18) am unteren Ende und eine Wasser-Auslaßleitung (2o) am oberen Ende des Behälters (16) liegt.

4. Wärmepumpenanlage nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß in einem Zwischenabschnitt des Behälters in Reihe von unten nach oben auf im wesentlichen gleichem Niveau eine zusätzliche Wasserauslaßleitung (44) und eine zusätzliche Wassereinlaßleitung (42) vorgesehen sind.

5. Wärmepumpenanlage nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 4 , dadurch gekennzeichnet , daß im Behälter (16) ein zusätzlicher Wärmeaustauscher angeordnet ist, der an einen Sonnenkollektor angeschlossen ist.

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