DE3101138A1 - Heat pump with heat exchangers - Google Patents

Heat pump with heat exchangers

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Abstract

The invention provides heat pumps which have triple heat exchangers on the evaporator side and/or on the condenser side. These heat exchangers are designed so that, on the input side, they can transmit the heat energy of two heat sources, for example a roof absorber and an earth absorber, simultaneously or individually to the evaporator side. There can likewise be provided on the heat-output side a triple heat exchanger which transmits the heat energy of the condenser to the heating circuit or to the service-water circuit or to both at the same time. Especially where coaxial condensers are concerned, it is of particular advantage to have such a pipe arrangement or construction that, in the event of leaks in the pipe carrying the refrigerant, no refrigerant can pass into the service-water circuit. These triple heat exchangers according to the invention are shown in the description and drawing of the Patent Application.

Description

Wärmepumpe mit Wärmetauschern.Heat pump with heat exchangers.

@ei einer Vielzahl von Eigenheimen und im Mehrfamilienhausbau sind weder die Dachflächen für die erforderliche Größe eines Dachflächenabsorbers noch die Grundstücksgröße für einen Erdreichabsorber ausreichend.Andere Kombinationsmöglichkeiten sind dann nötig,wenn keine der Wärmequellen wie Sonne,Luft, oder Wasser allein die für den Betrieb der Wärmepumpe notwendige Energie liefern kann.Deshalb muß im Falle-Dachabsorber-'Erdreichabsorber- ein 3fach Wärmetauscher auf der Wärme-Inputseiteangebracht werden,sodaß beide Teilwärmen gleichzeitig oder alternativ vom Verdampfer aufgenommen werden können,Die Auslegungsgrößen für einen Dachflächenabsorber und einen Erdreichabsorber richten sich primär nach dem Wärmebedarf,ihr Größenverhältnis zu einander nach den jeweils vorhandenen Entzugsflächen.@I are in a large number of homes and in multi-family houses neither the roof areas for the required size of a roof area absorber nor The size of the property is sufficient for a soil absorber. Other possible combinations are necessary when none of the heat sources such as sun, air, or water alone can supply the energy necessary for the operation of the heat pump. a 3-fold heat exchanger can be attached to the heat input side, so that both partial heats can be taken up simultaneously or alternatively by the evaporator, The design parameters for a roof absorber and a soil absorber are primarily based on the heat demand, their size ratio to each other according to the existing extraction areas.

Gelingt es z.B.den Dachflächenabsorber so auszulegen,daß er den Wärmebedarf bis zur Aussentemperatur von +300 abdecken kann,so übernimmt er damit 2/3 der Gesamtjahreswärmeleistung,Sinkt die Aussentemperatur unter diesen Wert, 80 muß die fehlende Menge vom Erdreichabsorber geliefert werden.Dieser Erdreicnabsorber muß nur noch 1/3 der Jahreswärmeleistung bringen.Die benötigte Fläche ist somit entsprechend kleiner als wenn der Brdreichabsorber die alleinige Wärmequelle wäre.If, for example, it is possible to design the roof surface absorber in such a way that it can cover the heat demand up to an outside temperature of +300, then it takes over 2/3 of the total annual heat output Outside temperature below this value, 80 the missing amount must be supplied by the ground absorber. This ground absorber only has to provide 1/3 of the annual heat output. The required area is accordingly smaller than if the vapor absorber were the sole heat source.

Die Auslegung der Wärmepumpe im bivalenten Betrieb ist entsprechend kleiner als im monovalentem Betrieb z,3.bis 1500.The design of the heat pump in bivalent operation is accordingly smaller than in monovalent operation z, 3. to 1500.

In unseren Breiten haben wir es mit relativ häufigen und länger andauernden Temperaturschwankungen zu tun,was bedeutet, daß die Wärmepumpe nur an wenigen Tagen im Dauerbetrieb arbeitet.In diesen Pausen könnte die Wärmeenergie des Dachabsorber durch Ventil~und Pumpenumschaltung zur Wärmeaufladung des Erdreiches über die Rohre des Erdreichabsorbers verwand werden.In our latitudes we have it with relatively frequent and longer lasting Temperature fluctuations do, which means that the heat pump only works for a few days works continuously. During these breaks, the heat energy of the roof absorber by switching between valves and pumps to heat the soil through the pipes of the soil absorber are used.

Dabei ist die Wärmepumpe nicht im Betrieb.i)ieser Erfindungsge danke wird in Abb.1 noch näher beschrieben.Ein solchesVerfahren, automatich ablaufen sollte,steigert die Wirtschaftlichkeit der Wärmepumpe,weil am End@ einer Heizperiode bereits sehr viel inner gie dem Erdreichwärmespeicher entnommen ist.The heat pump is not in operation. I) This inventive idea is described in more detail in Fig. should run automatically, increases the efficiency of the heat pump, because at the end @ of a heating season, a great deal of the inside has already been extracted from the geothermal heat storage.

Das gleiche Verfahren läßt sich auch in anderer Kombination anwenden.The same procedure can also be used in other combinations.

Nach der Erfindung sind auf der Wärme-Input-Seite(Verdampfer) Mittel(Pumpen,Ventile,Thermofühler,Schalter,Steuerungen,Regler) vorgesehen,die wahlweise die Wärmemengen mehrer Wärmequellen dem Verdampfer gleichzeitig oder einzeln zuführen.According to the invention, means (pumps, valves, thermal sensors, switches, controls, regulators) are on the heat input side (evaporator) provided that optionally the heat quantities from several heat sources to the evaporator at the same time or feed individually.

Nach der Erfindung ist dafür ausser den genannten Mitteln ein Vielfach-Wärmetauscher bestimmter Konstruktion vorgesehen,dessen eine Seite vom Verdampfer der Wärmepumpe beaufschlagt wird.According to the invention, in addition to the means mentioned, there is a multiple heat exchanger for this purpose of a certain design, one side of which is from the evaporator of the heat pump is applied.

Nach der Erfindung ist weiterhin eine Umschaltvorrichtung für einen Umlauf der Wärmemittel der Wärmequellen vorgesehen,sodaß die Wärmequellen hintereinander geschaltet sind.(Serie) Die bekannten Wärmepumpen werden normalerweise zur Erzeugung von Heizwärme oder zur Erzeugung von Brauchwasser verwendet.According to the invention is also a switching device for a Circulation of the heat medium of the heat sources provided so that the heat sources one behind the other (Series) The well-known heat pumps are normally used for generating used for heating or for the production of service water.

Mit Heizungswärmepumpen auch Brauchwasser zu bereiten, stößt auf Schwierigkeiten.Ss ist aber wünschenswert,um die Laufzeiten der Wärmepumpe zu verlängern,mit der Heizungswärmepumpe auch Brauchwasser zu erzeugen.3isher ist das durch einen separaten Kreislauf des Heizungswassers durch einen Wärmetauscher in einem Boiler möglich.Das bringt Energieverluste,ausserdem besteht die Gefahr,daß bei Undichtigkeit Kältemittel ins Brauchwasser gelangen kann.There are difficulties in preparing domestic water with heating pumps but it is desirable to extend the running times of the heat pump with the heating heat pump also to produce service water Heating water is possible through a heat exchanger in a boiler, which also results in energy losses there is a risk that refrigerant can get into the service water in the event of a leak.

ach der Erfindung wird dieses Problem ebenfalls durch einen ielfach(3fach)järmetauscher auf der WärmeOutput-Seite(Kondensator) gelöst.According to the invention, this problem is also solved by a multiple (3-way) heat exchanger solved on the heat output side (condenser).

3ie Erfindung soll nun anhand der Abbildungen näher erläutert werden.In Abb.1. ist die Wärmepumpe mit 1 bezeichnet.Sie entzieht über den Verdampfer 8.1,der in den Wärmetauscher 8 integriert ist,die Energie, entweder aus den7 i)achabsorber 2 oder aus dem Erdreichabsorber 3 oder aus beiden gleichzeitig.Dazu ist ein elektronisches Reel-und Steuersystem 12 vorgesehen,welches äe nach den Betriebsbedingungen und der Aussentemperatur die Pumpen 4 und 5,sowie die zugehörigen Ventile schaltet.(6u.7) Die Sole des Dachabsorbers 2 wird über den Teil 8.2 und die des Erdreichabsorbers 3 Uber den Teil 8.3 des Wärmetauschers 8 dem Verdampfer zugegeführt.The invention will now be explained in more detail with reference to the figures Fig.1. the heat pump is designated with 1. It draws via the evaporator 8.1, the Integrated into the heat exchanger 8, the energy, either from the 7 i) achabsorber 2 or from the ground absorber 3 or from both at the same time. An electronic Reel and control system 12 is provided, which depends on the operating conditions and the outside temperature switches pumps 4 and 5, as well as the associated valves. (6u.7) The brine of the roof absorber 2 is over the part 8.2 and that of the ground absorber 3 supplied to the evaporator via part 8.3 of the heat exchanger 8.

Die Elektronik 12 fühlt die Tempferaturen des Dachabsorbers durch Fijhler 13 und die des Erdreiches durch Fühler 15 ab.The electronics 12 feel the temperature of the roof absorber by Fijhler 13 and that of the ground through sensor 15.

Sie stellt weiter fest,daß die Wärmepumpe 1 nicht läuft.It also determines that the heat pump 1 is not running.

Das Element 20 stellt weiterhin fest,daß die Pumpe 1 nicht in nächster Zeit anlaufen muß.»amit gibt sie das Signal,daß die Ventile 6 und 7 in Reihe geschaltet werden können,was über die Elemente 16 und 17 erfofgt.Sie sorgt über 18 dafür ,daß die Pumpe 5 ausgeschaltet ist und Pumpe 4 über 19 anläuft.Vorher muß @@@ aber 12 noch festgestellt haben,daß die #13 gemessene Temperatur gegenüber der bei 15 gemessenen genügend groß ist.er Fühler 14 ist ebenfalls auf die Elektronik 12 geschaltet und mißt die Temperatur am Ausgang des Erdabsorbers.amit kann die Wärmeenergie,die dem Erdreichabsorber zugeführt wird,durch 12 kontrolliert und evtl angezeigt werden.Soll die Wärmepumpe 1 wieder anlaufen,so erfolgt dieses Signal über 20 auf 12.The element 20 also determines that the pump 1 does not have to start in the near future. With this it gives the signal that the valves 6 and 7 can be connected in series, which takes place via the elements 16 and 17 that pump 5 is switched off and pump 4 starts up via 19. but 12 have still found that the temperature measured at # 13 is sufficiently large compared to the temperature measured at 15. The sensor 14 is also connected to the electronics 12 and measures the temperature at the output of the earth absorber , checked by 12 and possibly displayed. If heat pump 1 is to start again, this signal is sent via 20 to 12.

12 gibt den Anlauf erst dann frei,wenn die Pumpen 4 und 5 und die Ventile 6 und 7 in der gewünschen Position stehen.12 only enables start-up when pumps 4 and 5 and the Valves 6 and 7 are in the desired position.

Auf diese Weise kann bei Stillstand der Wärmepumpe1 die Energie des Dachabsorbers 2 dem Erdreich,in welchem sich der Absorber 3 befindet,über die Pumpe 4 zugeführt werden und zur Speicherung dienen.In this way, the energy of the Roof absorber 2 the ground in which the absorber 3 is located, via the pump 4 are supplied and are used for storage.

Auf der Wärmeoutputseite ist der Kondensator 9.1 in den wärme taucher 9 integriert.Der @eil 9.2 speist den Heizkreislauf 10 und der Teil 9.3 des Vielfachwärmetauschers 9 den Brauchwasserkreislaufes 11.On the heat output side, the condenser 9.1 is in the heat diver The part 9.2 feeds the heating circuit 10 and part 9.3 of the multiple heat exchanger 9 the domestic water circuit 11.

Die Erfindung besteht unter anderen darin,daß die Wärmepumpe 1 auf der Wärme-Input-eitean einen Vielfachwärmetauscher angeschlossen ist.The invention consists, among other things, in that the heat pump 1 on the heat input side is connected to a multiple heat exchanger.

Sie besteht weiter darin,daß an der Ausgangsseite(wärme-Output) ein Vielfachwärmetauscher z.B.Dreifachwärmetauscher angeschlossen ist.It also consists in that A multiple heat exchanger, e.g. a triple heat exchanger, is connected to the output side (heat output).

Nach der Erfindung können sowohl auf Input als auch an der Outputseite Vielfachwärmetauscher angeschlossen sein.According to the invention, both on the input and on the output side Multiple heat exchangers must be connected.

ie für diesen Zweck entwickelten Wärmetauscher nach der rfinden werden in den folgenden Abbildungen beschrieben.he heat exchangers developed for this purpose will be found after described in the following figures.

In Abb.2 ist der einfachste Wirmetauscher dargestellt.Er besteht aus 3 statt 2 in einander geschachteten Röhren z.B.The simplest hot-air exchanger is shown in Fig. 2, which consists of 3 instead of 2 tubes nested in one another e.g.

aus Kupfer.In das Aussenrohr,welches wärmeisoliert ist,befindet sich das Rohr 2 als Mittelrohr und darin wieder das Innenrohr 3.made of copper in the outer tube, which is thermally insulated themselves the pipe 2 as the central pipe and inside it again the inner pipe 3.

Solche Koachsialwärmetauscher sind für 2 Rohre bekannt. In dieser Beschreibung ist ein fach Tauscher ein aus 7 Röhren bestehender Tauscher,je nach Röhrenzahl ist ein 4-oder 5-fach Tauscher.Such coaxial heat exchangers are known for 2 tubes. In this description, a fold exchanger is one consisting of 7 tubes Exchanger, depending on the number of tubes, is a 4 or 5-fold exchanger.

Im Beispiel der Abb.1 ist der 3fach-Wärmetauscher mit 8 bezeichnet,sein Teil 8.1(Verdampfer) ist der Raum zwischen den Röhren 2 und 3.Dieser Kaltrawn hat nun die Möglichkeit,Wärme aus dem Raumzwischen den Röhren 1 und 2(in Abb.1 mit 8.2 bezeichnet)zu ziehen, ebenso aber auch aus dem Innenraum des Rohres 3,in Abb.1 mit 8.3 bezeichnet.In the example in Fig.1, the triple heat exchanger is labeled 8, its part 8.1 (evaporator) is the space between the Tubes 2 and 3 This Kaltrawn now has the possibility of drawing heat from the space between the tubes 1 and 2 (labeled 8.2 in Fig. 1), but also from the interior of the tube 3, labeled 8.3 in Fig. 1 .

In Abb.3 ist das Rohr 2 durch ein Wellrohr ersetzt,was den Vorteil der Oberflächenvergrößerung hat.Ein höherer Wirkungsgrad und eine kürzere Bauweise ist der Erfolg. In Fig.3 the pipe 2 is replaced by a corrugated pipe, which has the advantage the surface enlargement, a higher efficiency and a shorter construction is the success.

In Abb.4 sind 2 Wellrohre gleicher Steigung(2 und3) so ineinander geschachtelt,sodaß sie an ihren Erhöhungen festen Wärmekontakt mit einander haben.Eine zusätzliche Verlötung ist möglich.Das Mittel zwischen Rohr 2 und 3 legt jetzt einen längeren schraubenartigen Weg mit Erzeugung von Turbulenzen zurück,was sich günstig auf Wirkungsgrad und Baulänge auswirkt.In Fig. 4 there are 2 corrugated pipes with the same pitch (2 and 3) one inside the other nested so that they have firm thermal contact with each other at their elevations additional soldering is possible. The middle between pipe 2 and 3 now places one longer helical path with generation of turbulence back, which is favorable affects efficiency and overall length.

In abb. 5 ist nur als weiteres Beispiel ein 5-fach Wärmetauscher gezeichnet.essen Funktion sich aus dem bisher gesagten leicht ergibt.In fig. 5 a 5-fold heat exchanger is shown only as a further example Function emerges easily from what has been said so far.

er Wärmetauscher 9 auf der Wärme-Cutput-Seite nach Abb.1.he heat exchanger 9 on the heat cutput side according to Fig.1.

ist genau so aufgebaut wie die beschriebenen.l)as heiße Kiihlnittel (9.1)wird vom dem Zwischenraum zwischen den Röhren 2 und aufgenommen und gibt die ) energie an den Raum zwischen den röhren 1 und2(Abb.1/9.2) an den Raum in Röhre 3(Abb.1/9.3) weiter. Nach der Erfindung ist es zum Schutze des Brauchwassers giinstig,das heiße Kühlmittel zwischen 1 und 2 zu führen,das Heizungswasser zwischen zwischen 2 und 3 und das Brauchwasser im Rohr 3. is built up exactly like the hot coolants described (9.1) is taken up by the space between the tubes 2 and and gives the ) energy to the space between tubes 1 and 2 (Fig.1 / 9.2) to the space in the tube 3 (Fig.1 / 9.3). According to the invention, it is beneficial to protect industrial water that to carry hot coolant between 1 and 2, the heating water between between 2 and 3 and the domestic water in pipe 3.

Der Wärmetauscher nach der Erfindung ist ein scher mit mehr als 2/koachsial in einander geschachteteln Rohren.The heat exchanger according to the invention is a shear with more than 2 / coaxial tubes nested in each other.

Eine Erweiterung ist die Verwendung von Wellrohren für die @nnenrohre. bie Kontaktierung 2 Rohre gleicher Steigung aber verschiedenen Durchmessers ist ein weiteres Merkmal,evtl.mit einer Verlötung.An extension is the use of corrugated pipes for the inner pipes. When contacting 2 tubes with the same pitch but different diameters is a further feature, possibly with soldering.

L e e r s e i t eL e r s e i t e

Claims (11)

Fatentansprüche W llärmepumpe mit Wärmetauscher,dadurch gekennzeichnet,daß die Wärmeenergie zweier Wärmequellen(2+3) über einen preifachwärmetauscher(8) zusammen-gleichzeitig(8.2+8.3) oder einzeln der Verdampferseite(8.1) der Wärmepumpe(i) zugeführt wird.Fatent claims heat pump with heat exchanger, characterized in that the thermal energy of two heat sources (2 + 3) via a price heat exchanger (8) together - simultaneously (8.2 + 8.3) or individually to the evaporator side (8.1) of the heat pump (i). 2.Erfindung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet,daß Pumpen(4+5) und Ventil(6+7) entsprechend geschaltet und gesteuert werden.2.Erfindung according to claim 1, characterized in that pumps (4 + 5) and valve (6 + 7) can be switched and controlled accordingly. 3.Erfindung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuergerät(12) die Vorgänge steuert. 3.Erfindung according to claim 1 and 2, characterized in that a Control unit (12) controls the processes. 4.Erfindung nach Anspruch 1-3 dadurch gekennzeichnet,daß die Wärmequellen bei Stillstand der Wärmepumpe (1) in Serie über eine Pumpe(4) und Ventile(6+7) geschaltet werden.4.Erfindung according to claim 1-3, characterized in that the heat sources when the heat pump (1) is at a standstill, connected in series via a pump (4) and valves (6 + 7) will. 5.Erfindung nach Anspruch 1-4 dadurch gekennzeichnet, ein elektronisches Steuergerät(12) mit Fühlern und Schaltelementen(13,14,15,16,17,18,19 und20) die Schaltvorgänge vorbereitet,überwacht und durchführt. 5.Erfindung according to claim 1-4 characterized in an electronic Control unit (12) with sensors and switching elements (13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 and 20) the Switching processes prepared, monitored and carried out. 6.Erfindung nach Anspruch 1-5 dadurch gekennzeichnet, daß auf der Wärme-Outputseite ein Dreifachwärmetauscher (9) angeordnet ist,der die Energie des heißen Kältemittels über Kondensator(9.1) auf getrennte Heizungs-(9.2+1o) und Brauchwasserkreisläufe(9.3+11) aufteilt.6.Erfindung according to claim 1-5, characterized in that on the Heat output side a triple heat exchanger (9) is arranged, which the energy of the hot refrigerant via condenser (9.1) to separate heating (9.2 + 1o) and domestic water circuits (9.3 + 11) divides. 7.rrfindung nach anspruch 1-6 dadurch gekennzeichnet,daß wenigstens einer der Wärmetauscher(8+9) aus mehr als zwei in einander geschachteteln Röhren(abb.2-5) besteht.7.rrfindung according to claims 1-6, characterized in that at least one of the heat exchangers (8 + 9) made up of more than two tubes nested one inside the other (fig. 2-5) consists. 8.?rfindung nach Anspruch 1-7 dadurch gekennzeichnet,daß wenigstens eins der Rohre ein Wellrohr ist(Abb.3,4+5) 8.? Rfindung according to claim 1-7, characterized in that at least one of the pipes is a corrugated pipe (Fig.3,4 + 5) 9.Erfindung nach Anspruch 1-8 dadurch gekennzeichnet,daß zwei wellrohre gleicher Steigung,aber verschiedenen durch messers so in einander Gepaßt sind,daf3 sie kontaktieren.(Abb 4,"ohr 2+3) 9.Erfindung according to claim 1-8 thereby characterized that two corrugated pipes of the same pitch, but different diameter Are so fitted into each other that they contact. (Fig. 4, "ear 2 + 3) 10. Erfindung nach Anspruch 1-9 dadurch gekennzeichnet,daß die Kontaktstellen verlötet sind.10. Invention according to claims 1-9, characterized in that the contact points are soldered. 11.Mehrfachwärmetauscher wie bei dieser Erfindung angewendet für Wärmepumpen allgemein.11. Multiple heat exchangers as used in this invention for heat pumps generally.
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