DE3119788A1

DE3119788A1 - Verfahren zur verbesserung der leistungsziffer eines kaeltemaschinen- bzw. eines waermepumpenkreisprozesses und apparat zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE3119788A1
Application number: DE19813119788
Authority: DE
Inventors: Klaus-Jürgen Ing.(grad.) 2081 Hetlingen Möhlenbeck
Original assignee: MOEHLENBECK KLAUS JUERGEN ING
Current assignee: MOEHLENBECK KLAUS JUERGEN ING
Priority date: 1981-05-19
Filing date: 1981-05-19
Publication date: 1983-01-05

Description

31 T-978B

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren,.mit dem die Leistungsziffer eines Kältemaschinen- bzw. Wärmepumpenkreisprozesses verbessert werden kann. In der folgenden Beschreibung soll die Anwendung des Verfahrens auf die Wärmepumpe bezogen werden; denn die Erfindung bezieht sich vorwiegend auf diesen Anwendungsbereich. Besteht z.B. die Aufgabe darin, eine strömende Wassermenge von 35 C auf 50 C zu erwärmen, wobei die Wärme einer strömenden Wassermenge mit einer Temperatur von 15°C und einer Abkühlung auf 5 C entzogen wird, wo wird herkömmlich so verfahren, daß sowohl der Kondensator als auch der Verdampfer des Wärmepumpenkreisprozesses kontinuierlich von den Fluids durchströmt wird, die Drücke des Kältemittels im Kondensator und im Verdampfer werden somit von den Endtemperaturen der Fluids bestimmt. Es ist bekannt, daß die Leistungsziffer des Gesamtprozesses verbessert werden kann, wenn die Erwärmung des Wassers stufenweise erfolgt. Hierbei wird die Gesamtleistung der Wärmepumpe auf mehrere Einheiten aufgeteilt. Um z.B. das Wasser zunächst von 35 C auf 40 C im Kondensator zu erwärmen und das Wasser im Verdampfer ebenfalls um 1/3 der Gesamttemperaturspreizung abzukühlen,wird ein sehr viel geringerer Leistungsbedarf des Kompressors benötigt und somit eine erhebliche Verbesserung der Leistungsziffer erreicht. Nachteil dieses Verfahrens ist, daß zur Erbringung der Gesamtleistung mehrere Einzelaggregate erforderlich sind und damit zwangsläufig ein höherer Kostenaufwand verbunden ist. Die günstigste Leistungsζiffer ist zu erreichen, wenn die Geamtleistung eines Wärmepumpenkreisprozesses~auf viele Einzelprozesse mit stufenweiser Temperaturerhöhung im Kondensator, bzw. Abkühlung im Verdampfer aufgeteilt wird. Durch den Erfindugnsgedanken kann dieses Ziel mit einem Aggregat erreicht werden.

Pig» 1 zeigt einen erfindungsgemäßejn"Apparat ;bei:cteiB Speicher und Verdampfer, bzw. Kondensator eine Einheit bilden und bei dem das gesamte System bei jedem Zyklus genz entleert und neu befüllt wird. Das System ist offen.

Fig. 2 wie Fig.l, nur daß hier der Speicher gesondert angeordnet ist und das Fluid nach-der Aufheizung bez. Kühlung mittels der Umwälzpumpe einem anderem System zugeführt wird.

Fig. 3 zeigt eine Ausführung, bei dem das gesamte System geschlossen ist und der Austausch des Fluids während des Zyklusses durch Verdrängung erfolgt. Der parallelgeschaltete Speicher dient zur Entkopplung des Apparates zum Verbrauchssystem.

Fig. 4 zeigt einen erfindungsgemäßen Apparat,, bei dem die beiden Speicher wechselweise von Fluid durchströmt werden,, ohne daß durch die Umschaltung und durch den diskontinuierlichen Wärmestrom innerhalb der Speicher eine wesentliche Veränderung der Wärmestromdichte des Fluids an den Grenzen des Apparates entsteht.

Der in Fig. 1 dargestellte Apparat hat folgende Wirkungsweise: Das zu erwärmende Fluid tritt aus dem Behälter 413) über die geöffnete Absperreinrichtung (15) und der Leitung (16) in den über die Leitung (19) mit der Atmosphäre verbundenen Speicher (1) ein. Er füllt sich bis zum Niveauregler (17,18), der dann den Steuerbefehl zur Schließung der AbspeFeinrichtung (15) gibt. Daneben ist eine Ausführung dargestellt, bei der das Fluid direkt aus einer Leitung kommt. Bei jetzt mit niedriger Ausgangstemperatur gefülltem Speicher (1) wird durch den Betrieb der Umwälzpumpe (5) ein intensiver Durchfluß durch den Kondensator (3) bewirkt, wodurch sich das Fluid durch die im Kondensator abgeführte Wärmemenge kontinuierlich erwärmt.. Bei erreichen der eingestellten Grenztemperatur am Thermostaten (23) wird das gesamte System über die Absperreinrichtung (21) entleert. In der dargestellten Abbildung wird das Fluid in dem Behälter (24) aufgefangen und kann über die Leitung (25), je nach Bedarf,entnommen werden. Der Kondensatordruck des Wärmepumpenkreisprozesses wird somit zu Beginn der Umwälzung durch die niedrige Ausgangsteraperatur und erst in der letzten Betriebsphase von der eingestellten Grenztemperatur bestimmt. Diese letzte Betriebsphase ist mit

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dem normalen Betrieb herkömmlicher Wärmepumpenkreisprozesse vergleichbar. Die Verbesserung der Leistungsziffer durch das erfindugnsgemäße Verfahren wird somit um so größer sein, je größer der Temperaturunterschied zwischen Beginn und Ende des Erwärmungsvorganges ist. Die Größe des Speichers hat. hierbei keinen wesentlichen Einfluß auf die Verbesserung, sie bestimmt lediglich die Frequenz der Zyklen.

In der Ausführung gemäß Fig. 1 ist der Kondensator (3) im Speicher (1) integriert. Die Abbildung 2 zeigt eine.Ausführung, bei der·der Speicher eine gesonderte Einheit darstellt und der Verdampfer als Doppelkoaxialwärmetauscher ausgebildet ist. Bei Erreichen der eingestellten Grenztemperatur wird hier die Stelleinrichtung (28) in Stellung "b" umgeschaltet und das Fluid über die Leitung(31) in den Behälter (27) gepumpt, von wo es über den Stutzen (32) für den Verbrauch entnommen" werden kann. Beide vorstehend beschriebenen Apparate können auch mit einem Verdampfer ausgerüstet werden und dann zur Kühlung eines Fluids verwendet werden ohne daß hierfür mechanische Einrichtungen zu ändern sind. Nur die Steuereinheit (12) muß auf diesen Betrieh umgestellt werden.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Apparat handelt es sich um ein geschlossenes System, dem ein Verdrändungspeicher parallelgeschaltet ist. Die innerhalb des Systems dargestellten Wirkungsrichtungen stellen den Betrieb mit einem Kondensator (3) dar. Bei dieser Ausführung wird das Wasser somit erwärmt. Zunächst soll die !^stelleinrichtung in Stellung üb" angenommen werden. In dieser Betriebsphase wird das Fluid über die Pumpe (5), dem Kondensator (3), der Leitung (29,35) aus dem Verdrängungsspeicher (38) angesaugt, w$bei das in den Speicher (1) eintretende Fluid über den Strömungsgleichrichter (10) das hierin befindliche Fluid kolbenartig aus demselben ausschiebt.und über die Leitung (39) in den

Verdrängungsspeicher (38) zurückleitet. Die Strömungssteuereinheit (28) wird umgschaltet, sobald die Minimaltemperatur am Thermostaten (23) unterschritten wird. Bei eingeschalteter Wärmepumpe wird jetzt über den Kondensator (3) dem umlaufenden Wasser Wärme zugeführt, das sich hierdurch kontinuierlich erwärmt. Bei Erreichen der am Thermostaten(23) eingestellten Grenztemperatur wird die Strömungssteuereinheit (28) umgeschaltet, so daß das System über die Leitungen (35,39)wieder mit kälterem Fluid gefüllt wird. Ist der Speicher (1) leergespült, so wird über den Thermostaten (23) wieder ein neuer Zyklus begonnen. Der Thermostat (34) überwacht den Ladungszustand des Verdrängungsspeichers (38). Überschreitet die Ladung diese Grenze, so wird die Umschaltung in Stellung "b" des Strömungssteuergliedes (28) unterbunden unck>die Wärmepumpe schaltet sich ab. Durch den Einsatz eines Verdrängungsspeichers wird es möglich, die Entnahmeleistung genau art den Bedarf des außenliegenden Anlagensystems anpassen zu können. Die gleiche Apparatur kann auch zur Kühlung eines Fluids verwendet werden, wenn der Apparateteil (3) als Verdampfer wirkt und die Umwälzpumpe (5) in ihrer Wirkungsrichtung umgedreht wird. Die Strömung des Fluids innerhalb der Apparatur wird sich dann entsprechend der außerhalb liegenden Pfeile ausbilden. Für die Steuerung muß dann der Thermostat (33,40) verwendet werden.

Die Fig. 5 zeigt eine Anwendungsmöglichkeit des Apparates, bei der zwei parallel angeordnete Speicher(1,2)vorhanden sind, die in der Funktion wechselweise betrieben werden. Durch die Strömungststeuereinrichtung (6) wird das Fluid des äußeren Systems zunächst durch den Speicher (2) geleitet, wodurch das zuvor in der Temperatur veränderte Fluid kolbenströmungsartig aus demselben verdrängt wird. Erreicht Temperaturgrenze innerhalb des Speichers (2) den Thermostaten (23), so wird die Steuereinheit (6) umgestellt und der Fluidstrom kann sich ohne Unterbrechung

über den Speicher (1) fortsetzen. Während des Verdrängungsvorganges im Speicher (2) wurde das im Speicher (1) vorhandene Fluid von der Ausgangstemperatur durch Wärmeaustausch im Kondensator bzw Verdampfer (3) auf den Endzustand verändert. Während dieses Vorganges wird das Fluid intensiv umgewälzt. Bei Erreichen der Endtemperatur schaltet der Thermostat den Umwälzkreislauf ab und das auf die vorgegebene Temperatur veränderte Fluid wird nach Umschaltung der Steuereinrichtung (6)durch Verdrängung in das äußere System geleitet. Die Steuereinheit (6) kann hierbei so ausgebildet werden, daß auch das sich im Kondensator bzw. Verdampfer (3) befindliche Fluid mit verdrängt wird. Die Einrichtungen (9,10) dienen der Aufgabe, eine möglichst kolbenartige Strömung zu erhalten. Die innerhalb des Systems befindlichen Pfeile zeigen den Strömungsverlauf bei Wärmepumpenbetrieb, die äußeren dagegen den Strömungsverlauf beim Kühlbetrieb.

Beim Verdrängen des Fluids ist anzustreben, daß sich die Fluids unterschiedlicher Temperatur nicht vermischen, deshalb ist der Strömungsausbildung innerhalb der Speicher besonderer Sorgfalt bei der Planung zu widmen.

Als besonderer\brteil bei der Anwendung des Apparates soll noch herausgestellt werden, daß auch erheblich verschmutzte Fluids verwendet werden können; denn es kann mit erheblich höheren Fluidgeschwindigkeiten innerhalb der Wärmetauscher gearbeitet werden, wodurch auch noch eine Verkleinerung dieser Apparate zu erreichen ist.

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Claims

Klaus-Jürgen Möhlenbeck Hetlingen, den 16.5.81

Blink 18

Hetlingen

Telefon: 04103/85170

Anm. : Klaus-Jürgen Möhlenbeck
Hetlingen

Bez.: Verfahren zur Verbesserung der Leistungsziffer eines Kältemaschinen- bzw. eines Wärmepumpenkreisprozesses und Apparat zur Durchführung des Verfahrens.

Patentanmeldung

Patentansprüche

lj Verfahren zur Verbesserung der Leistungsziffer eines Kühlmaschinenoder Wärmepumpenkreisprozesses, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Temperatur zu verändernde Fluid den Verdampfer bzw. den Kondensator nicht kontinuierlich durchströmt, sondern daß der Verdampfer bzw. Kondensator,jeweils in Verbindung mit einem Speicher für das Fluid,zunächst mit unter Ausgangstemperatur befindlichem Fluid gefüllt wird, diese Füllung dann durch eine Einrichtung umgewälzt wird, und zwar so, daß das Fluid den Verdampfer bzw. Kondensator sowie den Speicher mehrfach durchströmt, wobei es sich nach jedem Durchlauf in der Temperatur verändert und bei Erreichen der vorgegebenen Endtemperatur diese Fluidmenge gegen Fluid mit Ausgangstemperatur ersetzt wird und ein. neuer Zyklus beginnen kann.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch .gekennzeichnet, daß der Speicher im Kondensator bzw. Verdampfer integriert ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher eine gesonderte Einheit bildet. " '
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidwechsel bei jedem Zyklus ■ durch Entleerung und Neufüllung des Systems erfolgt.
5. Verfahren, nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidwechsel bei jedem Zyklus durch Verdrängung der vorherigen Füllung erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufrechterhaltung einer dem Verbrauchssystem angepaßten Ströjnung der erfindungsgemäßen Einrichtung ein Verdrängungsspeicher parallelgeschaltet ist, über den der Fluidaustausch bei jedem Zyklus erfolgen kann,ohne daß die Kontinuität der Strömung an der Systemgrenze hierdurch beeinflußt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufrechterhaltung einer dem Verbrauchssystem angepaßten Strömung zwei erfindungsgemäße Einrichtungen parallelgeschaltet werden, wobei jeweils ein System entladen wird, während das Fluid des anderen Systems vom Ausgangszustand auf den Endzustand verändert wird,
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß für zwei Speicher nur ein Verdampfer, bzw. Kondensator vorhanden ist, der wechselweise auf den jeweiligen Speicher geschaltet wird.
9. Apparat .zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Speicher (1) und ein Verdampfer bzw. Kondensator (3) vorhanden ist, durch die ein Fluid über eine Pumpe (5) und einer außenliegenden Leitung (7,8,29,30) umgewälzt wird, wobei es sich durch den Wärmestrom im Apparateteil (3) in der Temperatur verändert und bei Erreichen einer vorgegebenen Endtemperatur gegen Fluid mit Ausgangastemperatur über Steuereinrichtungen(6, 15,28) ausgetauscht wird und die Steuereinrichtungen so geschaltet sind, daß dieser Vorgang sich zyklisch wiederholt,
10. Apparat nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer bzw. der Kondensator .(3) mit dem Speicher (1) eine Baueinheit ist.
11. Apparat nach Anspruch 9, dadurch/gekennzeichnet, daß der Speicher (L) als getrennte Einheit angeordnet wird.
12. Apparat nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (1) oder andere Bereiche des Apparates in offener Verbindung mit der Atmosphäre stehen.
13. Apparat nach Anspruch 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zur Atmosphäre nur bei nicht ganz gefülltem System wirksam ist und durch eine Einrichtung (41) unterbrochen wird, sobald dasselbe sich bis zu einer vorgegebenen Höhe aufgefüllt hat.
14. Apparat nach Anspruch 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß er..nach jedem Zyklus entleert und nach der Entleerung erneut mit Fluid über eine Absperreinrichtung (15) befüllt wird»
15» Apparat nach Anspruch 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Entleerung über eine im Bereich des tiefsten Punktes des Systems vorhandene Ablaßvorrichtung (21) erfolgt.

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16. Apparat nach Anspruch 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Entleerung des Systems über die Umwälzpumpe (5) und einer umgeschalteten Steureinheit (28) erfolgt.
17. Apparat nach Anspruch 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Entleerungsvorgang und oder das Befüllen des Systems durch Füllstandsüberwachung gesteuert wird.
18. Apparat nach Anspruch 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Entleerungsvorgang und oder das Befüllen des Systems durch ein Zeitprogramm gesteuert wird.
19. Apparat nach Anspruch 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das System geschlossen ausgeführt ist und durch Einrichtungen O_rl0) bewirkt wird,daß ein möglichst geringer Stoffaustausch zwischen dem zuströmenden und dem zu verdrängenden Fluid auftritt.
20. Apparat nach Anspruch 9 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Endtemperatur des Fluids im System durch Thermostate (23,33) gesteuert wird.
21. Apparat nach Anspruch 9_bis 11 und 19 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung am Ende des Fluidwechsels durch Verdrängung durch Temperaturänderung ausgelöst wird, wobei die Temperaturmessung direkt oder als Differenz zwischen dem zuströmenden und dem abströmenden Fluid erfolgen kann.und über Thermostatschaltungen (23,33) wirksam werden.
22. Apparat nach Anspruch 9 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Funktionsablauf durch eine Steuereinheit (12) bestimmt wird.
23. Apparat nach Anspruch 1 bis 11 und 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet,

daß zur Entkopplung des Apparates vom Verbrauchssystem demselben ein Verdrängungsspeicher (38) parallgeschaltet ist.
24. Apparat nach Anspruch 23, dadurch/gekennzeichnet, daß der Verdrängungsspeicher mit Thermostaten (34,40) so versehen ist, daß bei Unterschreitung einer Maximaltemperatur am Thermostat (40) für den Kuhlbetrieb und bei Überschreitung einer Minimaltemperatur für den Heizbetrieb am Thermostaten (34) der Fluidwechsel im Apparat verhindert wird.
25. Apparat nach Anspruch 9 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Apparate parallelgeschaltet werden, von denen jeweils einer vom Fluid des Verbrauchssystems durchströmt, bzw. aufgefüllt wird, wobei das zuvor in der Temperatur veränderte Fluid gleichzeitig bei dem geschlossesem System, verdrängt wird, während der andere Apparat im Kreislaufbetrieb arbeitet und dabei die Temperatur des Fluids verändert. Nach Erreichen der hier/vorgegebenen Endtemperatur schaltet das Umlaufsystem ab und der Wechsel im Funktionsablauf wird eine Strömungssteuereinrichtung eingeleitet, sobald der Fluidaustausch . - .., ausgelöst über eine Thermostatschaltung (23)y im anderen System erfolgt ist.
26. Apparat nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung nach einem Zeitprogramm erfolgt.
27. Apparat nach Anspruch 25 und 26, dadurch .gekennzeichnet, daß für beide Systeme nur eine Umwälzpumpe (5) vorhanden ist.
28. Apparat nach Anspruch 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Kondensator bzw. Verdampfer (3) vorhanden ist.

,20. Apparat nach Anspruch 27 und 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungssteuereinrichtung (6) so ausgebildet ist, daß beim Fluidwechsel auch das Fluid im Apparateteil(3) gewechselt wird.