DE3120487A1

DE3120487A1 - Internal-combustion engine/heat pump aggregate

Info

Publication number: DE3120487A1
Application number: DE19813120487
Authority: DE
Inventors: Zacharias Dr.-Ing. 6940 Weinheim Friedemann
Original assignee: Motoren Werke Mannheim AG
Current assignee: Caterpillar Energy Solutions GmbH
Priority date: 1981-05-22
Filing date: 1981-05-22
Publication date: 1982-12-09

Abstract

An internal-combustion engine/heat pump aggregate consists of a heat pump (1), the compressor (2) of which can be driven by an internal-combustion engine (7) and the evaporator (5) of which is connected in a brine circuit (18), in which an outside air/brine heat exchanger (19) with an outside-air fan (23) and a brine circulating pump (21) are arranged, a heating circuit being provided, which is guided through the condenser (3) of the heat pump (1) and waste-heat heat exchanger of the internal-combustion engine (7). In order, in such an internal-combustion engine/heat pump aggregate, to achieve good efficiency with constructionally simple means even at low outside-air temperatures, the brine circulating pump (21) can be driven by the internal-combustion engine (7) and a hydromotor (22) connected into the brine circuit (18) is provided for driving the outside-air fan (23). <IMAGE>

Description

Verbrennungsmotor-Wärmepumpen-AggregatCombustion engine heat pump unit

Die Erfindung betrifft ein Verbrennungsmotor-Wärmepumpen-Aggregat gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to an internal combustion engine heat pump unit according to the preamble of claim 1.

Derartige Verbrennungsmotor-Wärmepumpen-Aggregate dienen dazu, der Außenluft Wärme zu entziehen. Hierbei ist für den Wärmetransport von dem Außenluft-Wärmeübertrager zur eigentlichen Wärmepumpe, d. h. zu deren Verdampfer ein gesonderter Solekreislauf vorgesehen, deresermöglicht, den Verbrennungsmotor zusammen mit der im wesentlichen aus Kompressor, Kondensator, Expansionsventil und Verdampfer bestehenden Wärmepumpe als eine Aggregateinheit auszubilden, die auch beim Aufbau auf der Baustelle nicht geöffnet zu werden braucht. Insbesondere braucht der Kreislauf der Wärmepumpe nicht geöffnet zu werden. Der Außenluft-Sole-Wärmeübertrager kann entfernt und gesondert von dem Aggregat aufgestellt werden; es müssen lediglich die Leitungen zum Schließen des Solekreislaufes verlegt werden. Der Kondensator der Wärmepumpe ist in einen Heizwasserkreislauf geschaltet, in dem dem Heizwasser auch die gesamte Abwärme des Motors zugeführt wird.Such internal combustion engine heat pump units are used to Extract heat from outside air. Here is for the heat transport from the outside air heat exchanger to the actual heat pump, d. H. a separate brine circuit for their evaporator provided, which enables the internal combustion engine together with the essentially a heat pump consisting of a compressor, condenser, expansion valve and evaporator to be designed as an aggregate unit, which is also not possible during assembly on the construction site needs to be opened. In particular, the heat pump circuit does not need it to be opened. The outside air-to-brine heat exchanger can be removed and separated be set up by the unit; only the lines have to be closed of the brine circuit. The condenser of the heat pump is in one The heating water circuit is switched in which the entire waste heat of the heating water is also switched on Motor is supplied.

Bei derartigen Verbrennungsmotor-Wärmepumpen-Aggregaten sinkt mit sinkender Außenluft-Temperatur die Leistungsaufnahme des Kompressors der Wärmepumpe und damit die Leistung des Verbrennungsmotors. Wenn also bei niedrigen Außenluft-Temperaturen ein besonders hoher Wärmebedarf im Heizwasser-Kreislauf verlangt wird, sinkt die Leistung des Wärmepumpenaggregates ab. Aus diesem Grunde ist es bereits bekannt geworden, mit dem Verbrennungsmotor eine ölpumpe zu koppeln, die öl verdichtet, das dann in einem Wärmeübertrager wieder entspannt wird.With such internal combustion engine heat pump units sinks as the outside air temperature falls, the power consumption of the heat pump's compressor and thus the performance of the internal combustion engine. So if at low outside air temperatures If a particularly high heat requirement is required in the heating water circuit, the Output of the heat pump unit. For this reason it is already known to couple an oil pump with the combustion engine, which compresses oil, which is then relaxed again in a heat exchanger.

Hierdurch wird auf dem Umwege Verbrennungsenergie - mechanische Energie des Motors - mechanische Arbeit der Pumpe - Entspannung des öls - zusätzlich Wärme gewonnen.This turns into combustion energy - mechanical energy of the motor - mechanical work of the pump - relaxation of the oil - additional heat won.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß es zweckmäßig ist, mit abnehmender Außenluft-Temperatur die Umwälzung im Solekreislauf zu erhalten und gegebenenfalls zu erhöhen, um den Durchfluß der Außenluft am Außenluft-Wärmeübertrager möglichst groß zu machen.The invention is based on the knowledge that it is expedient to maintain the circulation in the brine circuit as the outside air temperature decreases and, if necessary, to increase the flow rate of the outside air at the outside air heat exchanger to make it as big as possible.

Ausgehend von dieser Erkenntnis liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde e ein Verbrennungsmotor-Wärmepumpenaggregat der gattungsgemäßen Art zu schaffen, das mit konstruktiv einfachen Mitteln auch bei niedrigen Außenluft-Temperaturen einen guten Wirkungsgrad erreicht.On the basis of this knowledge, the invention is based on the object e to create an internal combustion engine heat pump unit of the generic type, this with structurally simple means even at low outside air temperatures achieved a good level of efficiency.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Wenn bei sinkender Außenluft-Temperatur das Drehmoment des Kompressors der Wärmepumpe abnimmt, w:I.rd gleichzeitig das Drehmoment der Sole-Umwälzpumpe gesteigert, da alle als Sole verwendeten Flüssigkeiten bei abnehmender Temperatur eine starke Viskositätszunahme aufweisen, wodurch die Drehmoinentaufnahme von nach dem Verdrängungsprinzip arbeitenden Pumpen zunimmt. Der Verbrennungsmotor läuft auch bei niedrigen Außenluft-Temperaturen und entsprechend niedrigem Drehmoment- und Leistungsbedarf des Kompressors in einem günstigen Leistungsbereich. Mit zunehmender Umwälzgeschwindigkeit der Sole im Solekreislauf steigt proportional die Drehzahl des Hydromotors und damit die des von ihm angetriebenen Ventilators am Außenluft-Wärmeübertrager, so daß auch zunehmende Luftmengen über den Außenluft-Wärmeübertrager gefördert werden. Damit steigt die Wärmeübertragung von Luft auf Sole im Außenluft-Sole-Wärmeübertrager, d. h. die Soletemperatur wird näher an die Außenluft-Temperatur angehoben, und die Wärmepumpe hat eine bessere Leistungsziffer.According to the invention, this object is achieved by the characterizing features of claim 1 solved. If, with falling outside air temperature, the torque of the compressor of the heat pump decreases, w: I.rd at the same time the torque of the brine circulation pump increased, since all liquids used as brine with decreasing temperature have a strong increase in viscosity, whereby the torque absorption from to positive displacement pumps increases. The combustion engine is running even at low outside air temperatures and accordingly low Torque and power requirement of the compressor in a favorable power range. With increasing circulation speed of the brine in the brine circuit increases proportionally the speed of the hydraulic motor and thus that of the fan it drives at the outside air heat exchanger, so that increasing amounts of air via the outside air heat exchanger be promoted. This increases the heat transfer from air to brine in the outside air to brine heat exchanger, d. H. the brine temperature is raised closer to the outside air temperature, and the Heat pump has a better coefficient of performance.

Das gesamte Verbrennungsmotor-Wärmepumpen-Aggregat kann darüber hinaus - wenn auch noch die Heizwasser-Umwälzpumpe an den Verbrennungsmotor gekoppelt wird - völlig autark arbeiten und ist nicht mehr von einer externen Stromversorgung abhängig. Zusätzlich wird der Wirkungsgrad verbessert.The entire internal combustion engine heat pump unit can also - if the heating water circulation pump is also coupled to the combustion engine - work completely independently and no longer depends on an external power supply. In addition, the efficiency is improved.

Durch die Maßnahmen nach Anspruch 2 kann der Soleumlauf bei niedrigen Außenluft-Temperaturen noch gesteigert werden, wodurch wiederum der Wärmeübergang in den Wärmeübertragern gesteigert wird.By the measures according to claim 2, the brine can run at low Outside air temperatures can still be increased, which in turn increases the heat transfer is increased in the heat exchangers.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung, die in schematischer Darstellung ein Verbrennungsmotor-Wärmepumpen-Aggregat nach der Erfindung zeigt.Further advantages and features of the invention emerge from the following Description of an embodiment with reference to the drawing, which is shown in schematic Representation shows an internal combustion engine heat pump unit according to the invention.

Es ist eine - gestrichelt umrandete - Wärmepumpe 1 vorgesehen, die einen Kompressor 2, einen Kondensator 3, ein Expansionsventil 4 und einen Verdampfer 5 aufweist, die im Kreislauf mit einerK§ltemittelleitung 6 verbunden sinde in dem in der üblichen Weise ein Kältemittel, beispielsweise Frigen umgepumpt wird. Zum Antrieb des Kompressors 2 ist ein Verbrennungsmotor 7 vorgesehenE an dessen Welle 8 der Kompressor 2 gekoppelt ist.There is a - provided with dashed lines - heat pump 1, the a compressor 2, a condenser 3, an expansion valve 4 and an evaporator 5 has, which are connected in the circuit with a refrigerant line 6 are in which a refrigerant, for example Frigen, is pumped around in the usual way will. To drive the compressor 2, an internal combustion engine 7 is provided on it Shaft 8 of the compressor 2 is coupled.

Der Kondensator 3 ist in eine Heizwasserkreislauf-Leitung 9 geschaltet, wobei der Heizwasserrücklauf gemäß dem Strömungspfeil lo zuerst dem Kondensator 3 zugeführt wird Von dort führt die Leitung 9 zu einem im Verbrennungsmotor 7 vorgesehenen Ölkühler 11, von dort zur Kühlwasser-Kühlung 12 des Motors 7 und von dort zu einem Abgas-Wärmeübertrager 13 des Motors, durch den dessen Abgase über eine Abgas-Sammelleitung 14 geführt und anschließend in die Atmospähre abgegeben werden. In die Leitung 9 ist vor den Kondensator 3 eine Heizwasser Umwälzpumpe 15 geschaltet, die direkt mit der Welle 8 des Verbrennungsmotors 7 gekoppelt ist, also von letzterem angetrieben wird. In eine die Heizwasser-Umwalzpumpe überbrückende Bypass-Leitung 16 ist ein überdruck-Sicherheitsventil 17 geschaltet.The condenser 3 is connected to a heating water circuit line 9, wherein the heating water return according to the flow arrow lo first the condenser 3 is fed. From there, the line 9 leads to one provided in the internal combustion engine 7 Oil cooler 11, from there to the cooling water cooling 12 of the engine 7 and from there to one Exhaust gas heat exchanger 13 of the engine, through which its exhaust gases via an exhaust gas manifold 14 and then released into the atmosphere. In line 9 a heating water circulation pump 15 is connected in front of the condenser 3, which directly is coupled to the shaft 8 of the internal combustion engine 7, that is, driven by the latter will. In a bypass line 16 that bridges the heating water circulation pump Overpressure safety valve 17 switched.

Dem Verdampfer 5 der Wärmepumpe 1 wird die zum Verdampfen des Kältemittels erforderliche Wärme durch in einem Solekreislauf 18 umgewälzte Sole zugeführt. Bei der Sole handelt es sich um Wasser mit einem Frostschutzmittel, beispielsweise Gylkol. Der Solekreislauf 18 wird im wesentlichen durch einen Außenluft Sole-Wärmeübertrager 19, eine durch diesen und durch den Verdampfer 5 geführte Solekreislauf-Leitung 20, eine in die Leitung 20 geschaltete Sole-Umwälzpumpe 21 und einen in die Leitung 20 geschalteten Hydromotor 22 mit Außenluft-Ventilator 23 gebildet. Die Sole-Umwälzpumpe ist direkt mit der Welle 8 des Verbrennungsmotors 7 gekoppelt. Sie pumpt die Sole entsprechend dem Strömungsrichtungspfeil 24 durch den'Hydromotor 22, mit dem wiederum direkt der Außenluft-Ventilator -23 gekoppelt ist. Von dort fließt die Sole durch den Außenluft-Sole-Wärmeübertrager 19, der der Außenluft Wärme entzieht, wobei der Wärmeübergang dadurch verbessert wird, daß die Außenluft mittels des Außenluft-Ventilators 23 im Luftstrom über den Wärmeübertrager 19 geführt wird. Von dort fließt die erwärmte Sole durch den Verdampfer 5, wo sie ihre Wärme an das Kältemittel abgibt. Anschließend fließt die Sole zurück zur Umwälzpumpe 21. Das Heizwasser kommt mit einer Rücklauftemperatur von etwa So0 C vor dem Kondensator 3 an, den es mit einer Temperatur von 640 C verläßt. Hinter dem ölkühler 11 und der Kühlwasser-Kühlung 12 des Verbrennungsmotors 7 hat das Wasser im Heizwasserkreislauf eine Temperatur von etwa. 680 C, die im Abgas-Wärmeübertrager 13 auf 700 C erhöht wird. Wie diesen beispielhaften Temperaturangaben zu entnehmen ist, wird dem Heizwasser etwa 70 % der Wärmeenergie im Kondensator 3 der Wärmepumpe 1 zugeführt, während die restlichen 30 % aus der Abwärme des Verbrennungsmotors 7 kommen.The evaporator 5 of the heat pump 1 is used to evaporate the refrigerant required heat is supplied by brine circulated in a brine circuit 18. at the brine is water with an anti-freeze, such as glycol. The brine circuit 18 is essentially an outside air brine heat exchanger 19, a brine circuit line passed through this and through the evaporator 5 20, a brine circulating pump 21 connected to the line 20 and one to the line 20 connected hydraulic motor 22 with outside air fan 23 is formed. The brine circulation pump is coupled directly to the shaft 8 of the internal combustion engine 7. It pumps the brine accordingly the flow direction arrow 24 through the'hydromotor 22, with which again directly the outside air fan -23 is coupled. From there, the brine flows through the outside air-brine heat exchanger 19, which extracts heat from the outside air, thereby improving the heat transfer is that the outside air by means of the outside air fan 23 in the air flow over the Heat exchanger 19 is performed. From there, the heated brine flows through the evaporator 5, where it gives off its heat to the refrigerant. The brine then flows back to the circulation pump 21. The heating water comes with a return temperature of around So0 C in front of the condenser 3, which it leaves with a temperature of 640 C. Behind the oil cooler 11 and the cooling water cooling system 12 of the internal combustion engine 7 have the water a temperature of approx. in the heating water circuit. 680 C in the exhaust gas heat exchanger 13 is increased to 700 C. As can be seen from these exemplary temperature data is, the heating water is about 70% of the heat energy in the condenser 3 of the heat pump 1, while the remaining 30% comes from the waste heat of the internal combustion engine 7 coming.

In den Solekreislauf 18 ist ein Bypass-Ventil 25 geschaltet, das die Solekreislauf-Leitung 20 - bezogen auf die Umwälzrichtung der Sole - vor dem Hydromotor 22 und vor dem Verdampfer 5 verbindet. Dieses Bypass-Ventil 25 kann in Abhängigkeit von der Außenluft-Temperatur gesteuert werden, indem das Ventil bei höheren Außenluft-Temperaturen stets etwas geöffnet ist und mit fallenden Außenluft-Temperaturen mehr und mehr geschlossen wird. Die Entspannungswärme des Bypass- Ventils 25 wird dem Verdampfer 5 besonders wirkungsvoll zugeführt Bei Drehzahl Regelung des Verbrennungsmotor¢Kompressor-Aggregats,und zwar insbesondere bei hoher Drehzahl bei niedrigen Außenluft-Temperaturen und niedriger Dreh zahl bei hohen Außenluft-Temperaturen, fördert der Außenluft-Ventilator 23 in gewünschter Weise bei nie drigen Außenluft-Temperaturen besonders stark.In the brine circuit 18, a bypass valve 25 is connected, which the Brine circuit line 20 - based on the direction of circulation of the brine - upstream of the hydraulic motor 22 and before the evaporator 5 connects. This bypass valve 25 can be a function can be controlled by the outside air temperature by opening the valve at higher outside air temperatures something is always open and with falling outside air temperatures more and more is closed. The relaxation heat of the bypass Valve 25 is supplied to the evaporator 5 particularly effectively With speed regulation of the internal combustion engine ¢ compressor unit, and especially at high speed at low outside air temperatures and lower Speed at high outside air temperatures, the outside air fan 23 promotes in a desired manner particularly strong at low outside air temperatures.

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

Claims

Claims ½) consisting of an internal combustion engine heat pump unit from a heat pump, the compressor of which can be driven by an internal combustion engine and its evaporator is connected to a brine circuit in which an outside air-brine heat exchanger with outside air fan and a brine circulation pump are arranged, with a through the condenser of the heat pump and waste heat exchanger of the combustion engine guided heating circuit is provided, characterized in that the brine circulating pump (21) can be driven by the internal combustion engine (7) and that for driving the outside air fan (23) a hydraulic motor (22) connected to the brine circuit (18) is provided.

2. Unit according to claim 1, characterized in that the brine circuit Is designed to be adjustable in quantity.