DE3112228C2

DE3112228C2 - Kälteanlage mit Warmwassererzeugung

Info

Publication number: DE3112228C2
Application number: DE3112228A
Authority: DE
Inventors: James Ranck York Pa. Harnish
Original assignee: Borg Warner Corp
Current assignee: Borg Warner Corp
Priority date: 1980-05-05
Filing date: 1981-03-27
Publication date: 1984-07-26
Also published as: US4314456A; ES8205458A1; AU543659B2; FR2481788A1; JPS572966A; AU6810381A; GB2079909B; CA1145576A; FR2481788B1; ES501003A0; DE3112228A1; GB2079909A

Abstract

Ein Kältemittelkondensationssystem zum Erhitzen von Wasser umfaßt ein durch einen Thermostaten betätigtes Ventil zur Zuführung von Wasser einer Temperatur von 60 ° C von einem Kondensator zum oberen Bereich eines Wasserspeicherbehälters und ein Bypassventil, das es ermöglicht, daß das erhitzte Wasser vom Kondensator, das danach auf eine niedrigere Temperatur erhitzt wird, unmittelbar zum Boden des Speicherbehälters strömen kann, nachdem das obere Drittel des Behälters mit Wasser von 60 ° C gefüllt worden ist, wodurch der Wirkungsgrad und das Aufheizvermögen des Kälteerzeugungssystems verbessert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kälteanlage mit Warmwassererzeugung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine Kälteanlage dieser Gatiung ist aus der US-PS 60 163, insbesondere Fig. 9, bekannt. Bei dieser Kälteanlage besteht das thermostatbetätigte Ventil aus einem Dreiwegeventil, das oberhalb der vorgegebenen Temperatur im Wasserauslaß des Kondensators die Verbindung zum Hochtemperatureinlaß und unterhalb der vorgegebenen Temperatur die Verbindung zum Niedertemperatureinlaß herstellt. Um ausreichend warmes Wasser im Warmwasserspeicher bereitzustellen, muß der Kondensator mit einer höheren Temperatur betrieben werden als dies für den Wirkungsgrad des Kondensators und somit der Kälteanlage günstig wäre.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Kälteanlage der angegebenen Gatiung so weiterzubilden, daß die Kündensatoiteniperatur zeitweise abgesenkt und dennoch die yewünsehlc Temperatur des zu entnehmenden Warmwasser eingehalten wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch I

gekennzeichnete Erfindung gelöst.

Bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Kälteanlage ergeben sich zwei Betriebsberciche: In einem ersten Bctricbsbcreich ist der Wasserausiaß des Kondensators s über die gedrosselte Strömungsverbindung mit dem Hochtemperaiureinlaß des Warmwasserspeichers verbunden. Hierbei stellt sich eine vergleichsweise hohe Kondensatorlcmperatur ein, die für eine entsprechend hohe Temperatur des Warmwassers sorgt. Der Warmwasserspeicher füllt sich somit von oben her mit Warmwasser der gewünschten Temperatur.

Wenn der Warmwasserspiegel im Warmwasserspeicher einen bestimmten Punkt erreicht hat (vorzugsweise ein Drittel der Höhe des Warmwasserspeichers von oben her), so wird der Wasserauslaß des Kondensators in einem zweiten Betriebsbereich über die ungedrosseltc Strömungsverbindung mit dem Niedertemperatureinlaß des Warmwasserspeichers verbunden. Hierbei stellt sich aufgrund des geringeren Strömungswider-2(i Standes in der Strömungsverbindung zwischen Kondensator und Niederiemperatureinlaß ein geringerer Druck im Kondensator und daher eine niedrigere Verdampfungstemperatur ein. Der Kondensator und somit die Kälteanlage arbeiten daher in diesem zweiten Betriebsbereich mit einem besseren Wirkungsgrad, was den Gesamtwirkungsgrad^cr Anlage entsprechend verbessert. Dennoch steht für die Warmwasserentnahmeleitung ausreichend warmes Wasser zur Verfügung, da der obere Teil des Warmwasserspeichers mit ausreichend warmein Wasser gefülh bleibt.

Die Wirkungsgradverbesserung wird durch einen vergleichsweise geringen konstruktiven Aufwand erreicht. Hin weiterer Vorteil der erfindungsgemäß ausgebildeten Kälteanlage besteht darin, daß bei normalem Betrieb kein Warmwasser verlorengeht, da lediglich so viel Kaltwasser eingespeist zu werden braucht, wie Warmwasser durch die Warmwasscrenlnahmcleilung abgezogen wird.

Anhand der einzigen Figur, die eine Kälteanlage mit Warmwussererzeugung in schcmatischcr Darstellung zeigt, wird ein Ausführungsbcispicl der Erfindung erlütilert.

Der in der Zeichnung dargestellte Kältemittelkreislauf umfaßt einen Kompressor 10. einen wassergekühl-4'i ten Kondensator 12. eine Expansionsvorrichtung in Form eines Kapillarrohres 14 und einen Verdampfer 18. Die zu kühlende Lufi wird durch ein von einem Elektromotor 21 angetriebenes Gebläse 20 durch den Verdampfer 18 gesaugt. Der Kondensator weist eine geschlossene Kammer 22 auf. deren Einlaß über eine Leitung 24 mit dem Kompressor 10 in Verbindung steht und deren Auslaß über eine Leitung 26 an die Expansionsvorrichtung 14 angeschlossen ist. Die innerhalb der Kammer 22 angeordnete Wärmelauscherschlange 28 j wird über eine Umwälzpumpe 32 mit Wasser von einem Warmwasserspeicher 30 versorgt. Der Auslaß der Um- [ wälzpumpe 32 ist über eine Leitung 34 am Einlaß der Rohrschlange 28 angeschlossen. Das erwärmte WasserI wird über eine Leitung 36 zum Warmwasserbehälter 30 J W) zurückgeführt.

Der Warmwiisserbehältcr 30 ist in seinem oberen Teil I mit einem Hochtcmpcraiurcinluß 37 und in seinem un-l leren Teil mil einem Nicdcricmperiiuireinlaß 39 vcrsc-l hen. /um I loehleinperatureinlall 37 führt eine Leitung! h^ri 38, die über eine T-Verbindung mit einer Warmwasser-! zuführleitung 42 und einer Warmwasser ntnahmekM-| tung 44 verbunden ist. Zu dem NicderiemperaiureinlaL 39 führ! eine l.eiiung40. die über eine T-Verbindung mid

;,; einer Leitung 48 für Warmwasser niedrigerer Tempera-If tür und einer Zufuhrleitung 46 für Kaltwasser verbun-■:.':'. den ist. Manuell betätigte Absperrventile 45 und 47 am |: > oberen Ende des Warmwasserspeichers 30 dienen dazu, ']!^; den Einbau und/oder die Wartung des Warrnwasser- *:j Speichers zu erleichtern. Der Warmwasserspeicher 30 ;^:' ist ferner mit einem unteren Auslaß 50 versehen, der :. über ein manuell betätigtes Ventil 54 mit einer Leitung 52 in Verbindung steht. Die Leitung 52 ist über eine T-Verbindung mit einer zur Umwälzpumpe 32 führen- : den Leitung 56 und einer ein manuell betätigtes Abflußu; ventil 60 enthaltenden Abflußleitung 58 verbunden.
" Ein normalerweise geschlossenes thermostatbetätigtes Ventil 62 steht über eine T-Verbindung mit der Lei- : tung 36 in Verbindung. Das Ventil 62 weist einen Tem- ^; peraturfühler 64 auf. der die Temperatur des erwärmten ^Λ Wassers in der Leitung 36 erfaßt. Das Ventil 62 bleibt ν geschlossen und sperrt somit die Warmwasserzufuhriei-/3 tung 42, bis die Temperatur des Wassers einen vorgege- -i benen Wert von beispielsweise 60⁰C erreicht. Die Temr;· peratur, bei der sich das Ventil 62 öffnet, ist einstellbar ·-- und liegt üblicherweise im Bereich von 54° bis 60 C.
' Die Leitung 36 ist ferner mit einem thermostatgP-steu-

erten Bypassventil 66 verbunden. Das Bypassventil 66 wird über elektrische Leitungen mit Strom versorgt und ist mit einem Temperaturfühler 68 verbunden, der an '· einem Punkt angeordnet ist, der vom oberen Ende des ■ Warmwasserspeichers 30 einen Abstand von ungefähr einem Drittel der Speicherlänge hat und sich innerhalb ■ des Warmwasserspeichers 30 befindet. Das Ventil 66 öffnet sich, wenn der Warmwasserspeicher 30 in seinem oberen Drittel mit Wasser einer Temperatur von etwa 60⁰C gefüllt ist, um das Warmwasser statt zum Hochtemperatureinlaß 37 zum Niedertemperatureinlaß 39 zu leiten. Normalerweise ist das Bypassventil 66 so eingestellt, daß es sich öffnet, wenn die Wassertemperatur über 58°C ansteigt.

Am Boden des Warmwasserspeichers 30 ist ein elektrischer Schalter 70 angeordnet, der mit die Umwälzpumpe 32, den elektrischen Motor 21 und den Kompressor 10 versorgenden elektrischen Leitungen 72, 73 und 74, die mit Versorgungsleitungen 75 verbunden sind, in Reihe geschaltet ist. Der Schalter 70 weist einen Temperaturfühler 76 auf, der am Boden des Warmwasserspeichers 30 angeordnet ist und den Schalter schließt, wenn sich die Wassertemperatur unterhalb einer vorgegebenen Temperatur von beispielsweise 60⁰C befindet. Wenn dies eintritt, werden gleichzeitig die Umwälzpumpe 32 und der Kompressor tO eingeschaltet. Die Temperaturfühler 68, 76 können auch an der Außenseite des Warmwasserspeichers 30 angebracht werden.

Es wird nun die Funktionsweise der Kälteanlage mit Warmwassererzeugung beschrieben. Der geschlossene Kältemittelkreislauf arbeitet in üblicher Weise. Wenn der Warmwasserspeicher 30 vollständig mit Kaltwasser einer Temperatur von z. B. 16⁰C gefüllt ist und in der Warmwasserzufuhrleitung 42 kein Bedarf an Warmwasser besteht, sind sowohl das Ventil 62 wie auch das Bypassventil 66 geschlossen. Der Schalter 70 schließt sofort, um den Elektromotor 21, den Kompressor 10 und die Pumpe 32 in Betrieb zu setzen. Nach Einschalten des Kompressois 10 strömt heißes Kältemittelgas vom Kompressor 10 in den Kondensator 12. Gleichzeitig wird durch das Einschalten der Pumpe 32 Kaltwasser vom Auslaß 50 dßs Warmwasserspeichers 30 in die Leitungen 52, 56 abgezogen. fVr Elektromotor 21 setzt das Gebläse 20 in Betrieb, so daß Umgcbungslufl durch den Verdampfer 18 gesaugt wird. Wenngleich das Ventil 62 geschlossen bleibt, bis die Temperatur des Wassers in der Leitung 36 über 60° C ansteigt, ist das Ventil 62 mit einer {nicht gezeigten) kleinen inneren Entlüftungsöffnung versehen, so daß geringe Wassermengen über die Leitungen 42 und 38 in den oberen Teil des Warmwasserspeichers 30 strömen und so einen Kreislauf bilden können, während das Wasser von 16°C auf 60°C erwärmt wird. Einige Minuten nach Betriebsbeginn des Kompressors 10 steht eine ausreichende Menge an

ίο Warmwasser einer Temperatur von 60° C in der Leitung 36 zur Verfügung, so daß sich das Ventil 62 öffnet und dadurch ein gedrosselter Warmwasserstrom durch die Leitungen 42, 38 zum Hochtemperatureinlaß 37 des Warmwasserspeichers 30 ermöglicht wird. Hierdurch wird verhindert, daß die Temperatur des aus der Rohrschlange 28 austretenden Wassers unter etwa 60° C abfällt.

Wenn Warmwasser in den Warmwasserspeicher 30 gelangt, beginnt sich das Wasser schichtenweise zu Iagern, wobei sich heißeres Wasser im ^;.--':eren Teil des Warmwasserspeichers und kälteres Wasser im unteren Teil befindet. Je mehr Warmwasser dem Warmwasserspeicher zugeführt wird, um so weiter bewegt sich die Grenzlinie der Schichtung nach unten, bis das obere Drittel de? Warmwasserspeichers mit Wasser einer Temperatur von 60°C gefüllt ist. Zu diesem Zeitpunkt öffnet der Temperaturfühler 68 das Bypassventil 66, so daß das Ventil 62 umgangen wird und das Warmwasser über die Leitungen 48 und 40 zum Niedertemperatureinlaß 39 am Boden des Warmwasserspeichers 30 strömen kann.

Gleichzeitig wird das Ventil 62 infolge der niedrigeren Kondensationstemperatur von etwa 28°C geschlossen, so daß die Wassertemperatur in der Leitung 36

JS etwa 24"C beträgt. Diese niedrigere Kondensationstemperatur ist auf die ungedrosselte Strömung zurückzuführen, die sich bei öffnen des Bypassventils 66 ergibt. Hierdurch ergibt sich ein besserer Wirkungsgrad, vas den Energiebedarf und die entsprechenden Betriebskosten senkt.

Das Warmwasser in den unteren beiden Dritteln des Warmwasserspeichers 30 wird von der Umwälzpumpe 32 kontinuierlich umgewälzt, bis das Wasser in den unteren beiden Dritteln ebenfalls eine Temperatur von 60⁰C besitzt. Sobald dieser Zustand erreicht ist, werden der Kompressor 10, der Elektromotor 21 und die Pumpe 32 abgeschaltet. Wenn Warmwasser aus der Wasserentnahmeleitung 44 abgezogen wird, wird eine entsprechende Menge an Kaltwasser über die Leitung 46 dem Niedertemperatureinlaß 39 zugeführt.

Wenn in der Wasserentnahmeleilung 44 ein Bedarf an Warmwasser besteht, wird Warmwasser über das Ventil 62 und u'ie Warmwasserleitung 42 unmittelbar der Wasscrcntnahmeleitung 44 zugeführt, solange sich die Wassertemperatur oberhalb der oben erwähnten vorgegebenen Temperatur befindet. Wenn das Warmwasser aus dem Warmwasserspeicher mit ausreichender Geschwindigkeit abgezogen wird, kann die Warmwasscrentnahme gleichzeitig über den Kondensator 12 und

bo den Warmwasserspeicher 30 erfolgen. Wenn dagegen das Ventil 62 geschlossen ist, wird das Warmwasser nur vom Warmwasserbehälter 30 geliefert.

Statt des beschriebenen Bypassventils 66 kann auch ein magnelbetätigtes Dreiwegeventil Verwendung finden. Dazu müßten zwei Verbindungen mit der Leitung 36 und eine dritte Verbindung mit der Leitung 48 hergestellt werden. Wenn das Ventil nicht eingeschaltet ist, strömt das Wasser vom Kondensator 12 zum Ventil 62

durch den Leitungsabschnitt des Temperaturfühlers 64. Wenn das Ventil eingeschaltet ist, umgeht das Wasser das Ventil 62 und strömt von der Leitung 36 in die Leitung 48.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims

■■■■.< Patentansprüche:

1. Kälteanlage mit Warmwassirerzeugung, bei der ein geschlossener Kältemittelkreislauf einen Kompressor, einen Kondensator, eine Expansionsvorrichtung und einen Verdampfer umfaßt, mit einem Warmwasserspeicher (30), der einen Hochtemperatureinlaß (37) in seinem oberen Teil, einen Niedertemperatureinlaß (39) in seinem unteren Teil, einen unteren Auslaß (50) und eine Warmwasserentnahmeleitung (44) aufweist, wobei der Kondensator dadurch wassergekühlt ist, daß das aufzuwärmende Wasser vom Warmwasserspeicher in den Kondensator geleitet wird und das aufgewärmte Wasser von dort wahlweise zum Hochtenipcratureinlaß (37) bzw. zur Warmwasserentnahmelcitung (44) oder zum Niedertemperatureinlaß (39) geleitet wird, und wobei ein t'äermostatbetätigtes Ventil (62) bei Erreichen einer vorgegebenen Temperatur im Wasserauslaß des Kondensators diesen Wasscrauslaß mit dem Hochtemperatureinlaß (37) des Warmwasserspeichers verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß ein das thermostatbetätigte Ventil (62) umgehendes Bypassventil (66) den Wasserauslaß des Kondensators (12) mit dem Niedertemperatureinlaß (39) des Warmwasserspeichers (30) dann verbindet, wenn der obere Abschnitt des Warmwasserspeichers (30) mit Wasser einer gewünschten Temperatur gefüllt i' *., und daß die Strömungsverbindung (62, 42) zwischen dem Wasserauslaß des Kondensators (12) und dem Hochtemperatareinlaß (37) einen größeren Strömungswiderstand als die Strömungsverbindung (66, 48) zwischen dim Wasserauslaß des Kondensators(12) und dem Niedertemperatureinlaß (39) hat.

2. Kälteanlage nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß das Bypassventil (66) einen Temperaturfühler (68) aufweist, der am Warmwasserspeicher (30) in einem Abstand von etwa einem Drittel der Höhe des Warmwasserspeichers (30) von dessen oberen Ende angeordnet ist.