DE3119436A1 - Verfahren zur gewinnung von umweltwaerme zu heizzwecken o.dgl. durch einen kaeltemittelkreislauf unter verdampfung eines kaeltemittels sowie kaeltemittelkreislauf - Google Patents

Description

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Haase-Wärme GmbH, Gadelander Straße 172, 2350 Neumiinster

Verfahren zur Gewinnung von Umweltwärme zu Heizzwecken od.dgl. durch einen Kältemittelkreislauf unter Verdampfung eines Kälte mittels sowie Kältemittelkreislauf

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Umweltwärme zu Heizzwecken od.dgl. durch einen Kältemittelkreislauf unter Verdampfung eines Kältemittels, Verdichtung desselben mittels Verdichter (Kompressor), Verflüssigung unter Wärmeabgabe und anschließender Rückführung unter Entspannung zum Verdampfen, wobei die Eigenwärme des Verdichters mittels Kühlung durch das Kältemittel an das zu beheizende Medium abgeführt wird, sowie einen Kältemittelkreislauf umfassend einen Verdampfer für ein Kältemittel, einen Verdichter mit einer Kühleinrichtung zur Abführung von Verdichter-Eigenwärme, einen Verflüssiger und ein Expansionsventil mit thermostatischer Verdampfer-Uberhitzungsregelung.

Heute übliche Kältekreise bestehen im wesentlichen aus Verdampfer, Verdichter, Verflüssiger und Expansionventil. Sie werden als Wärmepumpen zur Beheizung von Häusern, Erwärmung von Brauchwasser und für ähnliche Zwecke verwendet. Im Wärmepumpenbetrieb entsteht eine hohe Eigenwärme des Verdichters, die teilweise über eine Sauggaskühlung direkt dem zu erwärmenden Medium zugeführt, zum großen Teil aber an die Umgebung abgeführt wird und damit wertlos ist.

Bekannt geworden sind inzwischen Verdichter, die eine interne Kühlschlange aufweisen. Dadurch kann der Verdichter einisoliert und die vollständige Abfwewärme dem aufzuheizenden Medium zugeführt werden. Das kann auf zweierlei Weise geschehen:

1. Das verflüssigte Kondensat wird durch die Heizschlange des Verdichters geführt, nimmt dort durch Verdampfen einen Teil der Eigenwärme des Verdichters auf und wird dann endgültig in einem nachgeschalteten Verflüssiger verflüssigt, wobei es

die aufgenommene Eigenwärme des Verdichters an das zu erhitzende Medium abführt. Damit wird die Verdichter-Eigenwärme voll genutzt, und die Einsatzgrenzen des Verdichters können erweitert werden. Nachteilig ist solchen Systemen, daß sie infolge der Verwendung von zwei Verflüssigern sehr aufwendig in Konstruktion und Betrieb sind und durch die längeren Leitungen hohe Druckverluste entstehen. Abgesehen von der Gewinnung der Verdichter-Eigenwärme bieten solche Systeme keinen thermodynamisehen Vorteil.

2. Man leitet das Sauggas aus dem Verdampfer durch den Kühler des Verdichters. Daraus ergibt sich eine gegenüber der ersten Methode einfachere technische Installation. Die Verdichter-Eigenwärme wird dem Sauggas und damit dem Kältemittelkreislauf wieder zugeführt. Nachteilig ist diesem System, daß das in dem Verdampfer überhitzte Sauggas durch die Verdichter-Eigenwärme zusätzlich stark überhitzt wird, wodurch die Verdichter-Temperatur zunimmt und die Einsatzgrenzen des Verdichters beschränkt werden. Auch hier entsteht bis auf die Gewinnung der Verdichter-Eigenwärme kein zusätzlicher thermodynamischer Vorteil.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art bzw. einen Kältemittelkreis lauf zu schaffen, wodurch unter Nutzung der Verdichter-Eigenwärme eine Erhöhung des thermodynamisehen Wirkungsgrades unter vollständigerer Ausnutzung der Verdampferflächen ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß in dem Verdampfer Kältemitteldampf mit flüssiger Phase erzeugt wird und daß das aus dem Verdampfer austretende nicht verdampfte Kältemittel zur Kühlung des Verdichters verwendet und durch die Wärmeaufnahme aus dem Verdichter der Kältemitteldampf überhitzt wird. In gegenständlicher Form wird die Aufgabe bei einem Kältemittelkreislauf der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß der saugseitige Austritt des Ver-

dampfers mit dem Verdichterkühler und der Ausgang des Kühlers mit dem Saugstutzen des Verdichters verbunden ist und daß der Fühler des thermostatischen Expansionsventils zwischen Kühlerausgang und Verdichtersaugstutzen angeordnet ist.

Neben der Verwirklichung der bei den bekannten Systemen zumindest teilweise vorhandenen Vorteile wie Abführung der Verdichter-Eigenwärme an das zu beheizende Medium, Vergrößerung der Einsatzgrenzen des Verdichters durch Senken seiner Temperatur und einfache Technik werden durch die Erfindung vor allen Dingen thermodynamische Vorteile durch einen wesentlich besser genutzten Verdampfer und höhere Sauggasdichten erzielt. Funktion und Aufbau des Kältemittelkreislaufs sind derart, daß das Sauggas durch einen internen oder externen Kühler des Verdichters geleitet wird und, je nach Art der Kühlung, der Fühler des thermostatischen Expansionsventils kurz hinter dem Austritt des Verdichterkühlers oder kurz vor dem Eintritt in den Sauggasstutzen des Verdichters angeordnet wird. Im übrigen entspricht der Kältemittelkreislauf dem Normalaufbau, so daß er einfach realisierbar ist. Das thermostatische Expansionsventil hat normalerweise eine Rege!überhitzung von 5K. Diese überhitzung des Kältemitteldampfes muß gewährleistet sein, damit der Verdichter keine flüssigen Kältemittelschläge erhält. Bei herkömmlichen Anlagen und Systemen wird diese überhitzung im Verdampfer erzeugt, wodurch ein Teil der Verdampferfläche für die Verdampfung verloren geht und der Dampfdruck sinkt. Durch die Anwendung der Erfindung wird die notwendige Rege!überhitzung jedoch im Kühler des Verdichters erzeugt, so daß die Fläche des Verdampfers vollständig zum Verdampfen benutzt werden kann und aus dem Verdampfer noch flüssiges Kältemittel austritt. Damit wird der Wirkungsgrad des Verdampfers erhöht, und es steigt der Dampfdruck sowie die Leistung des Verdichters. Gleichzeitig wird die Sauggasüberhitzung nur geringfügig oberhalb des erhöhten Dampfdrucks gehalten. Diese Tatsache sowie die erhöhte Dichte des Dampfes ermöglichen eine wesentlich wirksamere Kühlung des Verdichters. Die gesamte Eigenwärme des Verdichters wird dadurch in Form der erhöhten Dampfdrücke und der überhitzung des erhöhten Dampfdruckes um ca. 5K an das zu erhitzende Medium abgeführt.

Wie bereits erwähnt, wird die Rege!überhitzung aus dem Verdampfer in den Kühler des Verdichters verlegt, wodurch entweder bei gleicher Verdampferfläche erhöhte Verdampfungsdrücke und damit höhere Verdichterleistungen oder bei gleicher Leistung kleiner bauende Verdampfer erzielbar sind, also der thermische Wirkungsgrad gesteigert werden kann. Durch niedrigere überhitzungstemperaturen und hohe Dampfdichten erzielt man eine erheblich verbesserte Eigenkühlung des Verdichters und damit wesentlich erweiterte Einsatzgrenzen desselben. Die gesamte Verdichter-Eigenwärme läßt sich in Form höherer Dampfdichte und im Verdichtungskühler erzeugter überhitzung an das zu beheizende Medium abführen. Insgesamt ergibt sich ein einfacher technischer Aufbau, da nur ein Verflüssiger notwendig ist und keine Druckverluste entstehen.

Zur noch besseren Nutzung des Verdampfers kann in Weiterbildung der Erfindung vorteilhaft die ünterkühlungswärme des Kondensats zusätzlich zur überhitzung des Kältemitteldampfes verwendet werden.

Um in besonders zweckmäßiger Weise eine Regelung der überhitzung des zu verdampfenden Kältemittels je nach Betriebszustand des Verdichters innerhalb des Verdampfers oder des heißen Verdichters zu erreichen, kann die Temperatur des Kältemitteldampfes nach Kühlung von Verdichter und/oder Kältemittelkondensat gemessen und der Meßwert zur Regelung der Kältemittelmenge in dem Verdampfer verwendet werden, wie dies u.a. bereits weiter oben in Verbindung mit dem Kältemittelkreislauf in Verbindung mit einer ausschließlichen Verdichterkühlung und überhitzung des Dampfes dadurch beschrieben ist.

In Weiterbildung des Kältemittelkreislaufs kann parallel zu dem Verdichterkühler eine Bypassverbindung für den Kältemitteldampf, d.h. das Dampf-Flüssigkeitsgemisch des aus dem Verdampfer austretenen Kältemittels vorgesehen sein. Diese Bypassverbindung ist dazu geeignet, höhere Druckverluste in dem Verdichterkühler zu vermeiden.

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Vorzugsweise kann die Bypassverbindung als Flüssigkeitsunterkühler für das Kondensat ausgebildet sein. Durch eine solche Anordnung wird die Unterkühlungswärme als Uberhitzungswärme für den durch den Bypass strömenden Teil des Kältemitteldampfes verwendet und trägt somit zur weiteren Erhöhung des Kältemitteldurchsatzes durch den Kreislauf und damit letztendlich zu einer höheren Effektivität bei.

Es ist weiterhin möglich, mit dem Verdichterkühler einen Kondensatunterkühler in Reihe anzuordnen. Damit ist die Unterkühlungswärme insbesondere bei genügend großem Kühlerdurchtritt wirksam für die überhitzung des Kältemitteldampfes in konstruktiv einfacher Weise verwendbar. Natürlich ist auch eine Anordnung von gleichzeitiger Reihen- und Parallelschaltung eines Kondensatunterkühlers möglich. Bei diesen Anordnungen befindet sich selbstverständlich der Fühler des thermostatischen Expansionsventils ebenfalls zwischen dem Zusammenführungspunkt der Wärmetauscher und dem Eintritt des Verdichters.

Um in günstiger Weise den eine höhere Wärmeaufnahme ermöglichenden Teil des Kältemittels, d.h. des Kältemitteldampf-Flüssigkeitsgemisches in den Teil des Kreislaufes zu leiten, in dem der größte Wärmeüberschuß zur Verfügung steht, also in dem Verdichterkühler, kann vorteilhaft die Verzweigung zum Bypass als den überwiegend flüssige Phase des Kältemitteldampfes zum Verdichterkühler und die überwiegend dampfförmige Phase desselben zum Bypass leitender Verteiler ausgebildet sein. Eine solche Verteilung ist besonders günstig und einfach unter Ausnutzung der Schwerkraft, d.h. durch einen Schwerkraftverteiler, zu erreichen.

In der schematischen Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand eines Schaltplanes dargestellt.

Ein Kältemittelkreislauf zur Verwirklichung der Erfindung umfaßt einen Verdampfer 1 zum Verdampfen eines Kältemittels unter Aufnahme von Umweltenergie. Das Kältemittel tritt aus einem Ver-

dampferaustritt 11 als Dampf-Flüssigkeitsgemisch aus und wird über eine Verbindungsleitung 20 einem Kühler 31 eines Verdichters 3 zugeführt, um in dem Verdichter 3 Eigenwärme aufzunehmen, die durch die Kompression erzeugt wird. Durch die Aufnahme dieser Verdichter-Eigenwärme wird die Flüssigphase des Kältemittels verdampft, so daß am Ausgang 32 des Kühlers überhitzter Kältemitteldampf vorliegt. Dieser wird einem Saugstutzen 33 des Verdichters 3 über eine Verbindungsleitung 21 zugeführt. Nach Kompression in dem Verdichter 3 gelangt das Kältemittel über eine Leitung 22 zu einem Verflüssiger 4, in dem dem Kältemittel Wärme unter gleichzeitiger Verflüssigung des Kältemittels entzogen wird. Diese Wärme wird zu Heizzwecken, angedeutet durch das Symbol 41, verwendet. Das verflüssigte Kältemittel gelangt über eine Leitung 23 zu einem Expansionsventil 5, das durch einen Temperaturfühler 51 thermostatisch geregelt wird. Der Temperaturfühler 51 befindet sich vor dem Eintrittstutzen 33 des Verdichters 3. In dem Expansionventil 5 wird das Kältemittel entspannt und gelangt über eine Leitung 24 in den Verdampfer 1 zurück. Dabei wird die Durchtrittsmenge des Expansionsventils von dem Temperaturfühler 51 entsprechend der überhitzung des Kältemittels über der Strecke vom Eingang 12 des Verdampfers bis zur Meßstelle des Temperaturfühlers 51 geregelt.

Eine besondere, in der Zeichnung bereits vorgesehene zusätzliche Möglichkeit zur Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kältekreislaufs mit einer über die Verdichterwärmenutzung hinausgehenden Wärmenutzung besteht in der Anordnung eines Kondensat-ünterkühlers 6, der in einer Bypassverbindung 25 zum Verdichterkühler 31 und zugleich in der Leitung 23 des Kondensats angeordnet ist. Auf diese Weise kann die Unterkühlungswärme im Kondensat zur überhitzung des Kältemittels auf der Strecke 12-51 verwendet werden. Das aus dem Kondensat-ünterkühler 6 austretende Kältemittel wird mit dem überhitzten, von dem Verdichterkühler 31 kommenden Kältemittel vor dem Temperaturfühler 51 bei 26 zusammengeführt.

Es ist natürlich auch möglich, statt oder zusätzlich zu der Bypassverbindung 25 einen Kondensat-ünterkühler in Reihe mit dem Verdichterkühler 31 anzuordnen, wobei es im wesentlichen auf die Durchtrittsquerschnitte der verschiedenen Wärmetauscher ankommt.

Claims (9)

Haase-Wärme GmbH, Gadelander Straße 172, 2350 Neumünster Verfahren zur Gewinnung von Umweltwärme zu Heizzwecken od.dgl. durch einen Kältemittelkreislauf unter Verdampfung eines Kältemittels sowie Kältemittelkreislauf Patentansprüche :

1. Verfahren zur Gewinnung von Umweltwärme zu Heizzwecken od.dgl. durch einen Kältemittelkreislauf unter Verdampfung eines Kältemittels, Verdichtung desselben mittels Verdichter (Kompressor), Verflüssigung unter Wärmeabgabe und anschließender Rückführung unter Entspannung zum Verdampfen, wobei die Eigenwärme des Verdichters mittels Kühlung durch das Kältemittel an das zu beheizende Medium abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Verdampfer Kältemitteldampf mit flüssiger Phase erzeugt wird und daß das aus dem Verdampfer austretende nicht verdampfte Kältemittel zur Kühlung verwendet und durch die Wärmeaufnahme aus dem Verdichter der Kältemitteldampf überhitzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Unterkühlungswärme des Kondensates zusätzlich zur überhitzung des Kältemitteldampfes verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Temperatur des Kältemitteldampfes nach Kühlung von Verdichter und/oder Kältemittelkondensat gemessen und der Meßwert zur Regelung der Kältemittelmenge in dem Verdampfer verwendet wird.

4. Kältemittelkreislauf umfassend einen Verdampfer für ein Kältemittel, einen Verdichter mit einer Kühleinrichtung zur Abführung von Verdichter-Eigenwärme, einen Verflüssiger und ein Expansionsventil mit thermostatischer Verdampfer-

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Uberhitzungsregelung, dadurch gekennzeichnet , daß der saugseitige Austritt (11) des Verdampfers (1) mit dem Verdichterkühler (31) und der Ausgang (32) des Kühlers (31) mit dem Saugstutzen (33) des Verdichters (2) verbunden ist und daß der Fühler (51) des thermostatischen Expansionsventils (5) zwischen Kühlerausgang (32) und Verdichtersaugstutzen (33) angeordnet ist.

5. Kältemittelkreislauf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß parallel zu dem Verdichterkühler (31) eine Bypassverbindung (25) für den Kältemitteldampf vorgesehen ist.

6. Kältemittelkreislauf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Bypassverbindung (25) als Flüssigkeitsunterkühler für das Kondensat ausgebildet ist.

7. Kältemittelkreislauf nach einem der Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Verdichterkühler (31) ein Kondensatunterkühler in Reihe angeordnet ist.

8. Kältemittelkreislauf nach Anspruch 5 oder 6_r dadurch gekennzeichnet , daß die Verzweigung (205) zum Bypass als den überwiegend flüssige Phase enthaltenden Teil des Kältemitteldampfes zum Verdichterkühler (31) und die überwiegend dampfförmige Phase desselben zum Bypass (25) leitender Verteiler ausgebildet ist.

9. Kältemittelkreislauf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß der Verteiler als Schwerkraftverteiler ausgebildet ist.