DE3129410A1

DE3129410A1 - Expansionsventilanordnung in waermepumpen

Info

Publication number: DE3129410A1
Application number: DE19813129410
Authority: DE
Inventors: Erich Ing. Pöhlmann (grad.), 8650 Kulmbach
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-07-25
Filing date: 1981-07-25
Publication date: 1983-02-17

Description

Expansionsventilanordnung in Wärmepumpen

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Drosselstelle des
Kältemittelkreislaufs einer Wärmepumpe kleiner Baugröße und kleiner Füllmenge. Derartige Wärmepumpen werden in zunehmendem Maße zur Beheizung von Einfamilienhäusern verwendet. Die erfindungsmäßige Expansionsventilanordnung ist in Kompressorwärmepumpen, bevorzugt aber in Absorptionswärmepumpen, verwendbar. Selbstverständlich ist diese Ventilanordnung auch für den Einsatz in Kühlaggregaten geeignet.

Bei derartigen Wärmepumpen wird, aus dem Kondensator kommend, dort verflüssigtes Kältemittel über eine Drosselstelle geführt und entspannt, im Verdampfer danach unter WÄ'rmeaufnähme wieder verdampft. Nach den Stand der Technik sind dafür verwendete Drosselventile

entweder feste Drosseln , z. B. in Form von Kapillarrohren, oder thermisch
angesteuerte Expansionsventile. Hier wird die Überhitzung des Kältemittels am Ende des Verdampfers als Signal für die. Verstellung der Drosselstelle genutzt. Wird dem Fühler, der am Verdampferausgang angeordnet ist, eine starke Überhitzung gemeldet, wird eine Drosselklappe verstellt und das Expansionsventil läßt mehr Kältemittel durch, um den Verdampfer voll zu beaufschlagen und somit voll zu nutzen. Im umgekehrten Sinne wird bei Verringerung der Überhitzung die Drosselklappe des Expansionsventils verkleinert, so daß ein Überfluten des Verdampfers und somit eine Gefährdung des Ventils am Kompressor verhindert wird. Dieser Sachverhalt gilt sinngemäß bei Wärmepumpen, die entweder nach dem Kompressorprinzip oder aber nach dem Absorberprinzip arbeiten. '. ·

allem bei zukünftig auf den Markt kommenden, nach dem Absorberprinzip arbeitenden Wärmepumpen für kleine Leistungen zum Beheizen von Einfamilienhäusern, die mit dem Stoff paar Ammoniak/Wasser arbeiten, ist die im Kältekreislauf strömende Ammoniakmenge so klein, daß ein in herkömmlicher Weise die Durchsatzmenge des Ammonaiks steuerndes Expansionsventil nicht eingesetzt werden kann. Obwohl auch bei derartigen Absorberwärmepumpen ein Signal in Form der Überhitzung des Kältemittels am Verdampfer vorhanden ist und im Prinzip genutzt werden könnte, ergibt der Umstand der geringen Ammoniakmenge sehr kleine Durchlässe an den Expansionsventilen. Derart kleine Expansionsventile, mit Hilfe deren die Durchsatzmenge des Kältemittels durch Verstellung veränderbar ist, lassen sich zum einen sehr schwer herstellen und sind zum anderen durch auftretende Verschmutzungen leicht störanfällig. Aus diesem Grunde verwendet man bei Absorberwärmepumpen für sehr kleine Leistungen feste Drosseln.

Im Prinzip können feste Drosseln durch entsprechenden Anteil des dynamischen Widerstandes so gestaltet werden, daß sie den erforderlichen unterschiedlichen Druckdifferenzen folgen und somit quasi die Funktion eines thermisch gesteuerten Expansionsventils übernehmen. Praktisch

ist ein derartiges Expansionsventil mit festem Drosseldurchmesser trotz alledem immer nur bestenfalls auf einige wenige Eckpunkte optimal ausgelegt.

Ausgehend von diesen Erkenntnissen liegt, der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Expansionsventilanordnung in Wärmepumpen bereitzustellen, die in der Lage ist_s auch bei Anlagen kleiner Baugröße und somit kleiner Füllmenge des Kältemittels, weitgehend optimale Bedingungen imKältemittelexpansionsbereich zu schaffen.

Eine Expansionsventilanordnung, die diesen Anforderungen gerecht .wird, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß im unmittelbaren Bereich in Füllmitteltransportrichtung vor der Expansionsventil-Austrittsdüse ein in Abhängigkeit von Zustandskriterien innerhalb der Wärmepumpe gesteuert schaltbares, periodisch arbeitendes Ventil angeordnet ist.

Der erfindungsgemäßen Expansionsventilanordnung für Wärmepumpen liegt die erfinderische Idee zugrunde, anstelle der bekannten Maßnahme bei Wärmepumpen größerer Bauart, bei denen analog zu Meßwertgrößen die Durchlaßmenge des Kältemittels kontinuierlich veränderbar ist, eine Optimierung des Expansionsvorganges des Kältemittels an der Expansionsdüse dadurch zu erreichen_t daß das Kältemittel gesteuert durch das erfindungsgemäß angeordnete schaltbare Ventil in periodischen Stoßen über das Expansionsventil in den Verdampferbereich abgegeben wird. Entsprechend der Werte von Zustandskriterien, die am Wärmepumpensystem abgegriffen werden, ist durch geeignete steuertechnische Maßnahmen sowohl die Längeder Durchlaßaeiten für das Kältemittel als auch die Länge der dazwischenliegenden Durchflußunterbrechungen optimal wählbar. Entsprechend werden auch optimale Expansionsbedingungen für das Kältemittel genutzt.

Bevorzugterweise bildet das Expansionsventil mit dem schaltbaren, periodisch arbeitenden Ventil eine Baueinheit. Es ist beispielsweise möglich, als Expansions-Schalt-Ventileinheit ein an sich bekanntes Magnetventil anzuordnen. Derartige Magnetventile sind als Einspritzventile für die Verbrennungsmotoren in der Automobiltechnik verwendet.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Expansionsventilanordnung angesteuert durch eine Schaltungsanordnung, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Analog-Digital-Wandler-Schaltungsanordnung angeordnet ist, der eingangsseitig Zustandskriterien zugeführt sind, in Abhängigkeit derer ausgangsseitig Steuertwerte in Impuls-Pausen-Verhältnissen an das schaltbare Ventil abgegeben werden. In diesem Zusammenhang wird bevorzugterweise die Wechselstromfrequenz der elektrischen Versorgungsspannung als Steuertafct der Schaltungsanordnung zugeführt. Mit Hilfe dieser Maßnahmen läßt sich mit einfachen bekannten schaltungstechnischen Mitteln eine optimale Nutzung der erfindungsgemäßen Expansionsventilanordnung .innerhalb einer Wärmepumpe erzielen.

Zur Abgabe von Steuerkriterien für das zu schaltende Ventil können Temperaturfühler und/oder Druckfühler im oder am. Kältemittelkreislauf angeordnet sein.

Anhand der Zeichnung sind im folgenden ein Ausführungsbeispiel einer in bekannter Weise arbeitenden Anordnung und ein Ausführungsbeispiel einer nach den erfindungsgemäßen Merkmalen ausgestalteten Anordnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 das Ausführungsbeispiel einer in bekannter
Weise arbeitenden Anordnung,

Fig. 2 eine Anordnung einer Wärmepumpe, welche
in erfindungsgemäßer Weise ausgestattet
ist und

■ Fig. 3 Impulsdiagramme für den Kühlmitteldurchsatz im Bereich der erfindungsgemäß ausgestalteten ExpansionsdÜF.e.

Die Absorptionswärmepumpe nach Fig. 1 besteht ;ius einem Kocher I₁ der auch Austreiber oder Generator genannt wird, einem wassergekühlten Kondensator 2, einem thermischen Expansionsventil 3, einem Verdampfer 4, der von einem Gebläse 5 aus der Umgebungsluft Wärme entzieht, einem Fühler 6, welcher das Expansionsventil 3' steuert, und einem Absorber 7, welcher ebenfalls wassergekühlt ' ist. " Mit Hilfe einer Pumpe 8 wird, die ini Absorber 7 im unterem Bereich sich sammelnde reiche Lösung 9 des Kältemittels über einen Temperaturwechsler 10 zu dem Kocher 1 über die Leitung 11 geführt.

Der aus dem Kocher 1 austretende Kältemitteldarnpf wird über eine Leitung 12 in den Kondensator 2 geleitet, dort verflüssigt, und über eine Leitung 13 durch das Expansionsventil 3 geführt und beim Eintritt in den Verdampfer 4 entspannt. Dort verdampft unter Wärmeaufnahme dieses Kältemittel und gelangt dampfförmig über eine Leitung 14 in den Absorber 7. Die üblicherweise verwendeten Bauteile wie Rektifikator und evtl. Lösungskühler wurden hier, da Stand der Technik und nicht erfindungswesentlich, bewußt weggelassen. Der Kocher 1 kann nach dem Stand der Technik entweder elektrisch, mit Gas, mit Öl oder auch mit festen Brennstoffen beheizt werden. Als Expansionsventil 3 wird bei der Anordnung gem. Fig. 1 ein bei größeren Wärmepumpenanlagen gebräuchliches thermisch verstellbares Drosselventil verwendet.

In Fig. 2 ist eine Wärmepumpenanlage dargestellt, welche im prinzipiellen Aufbau der Wärmepumpenanlage nach Fig. 1 entspricht. Lediglich anstelle des thermisch steuerbaren Expansionsventils 3 ist das erfindungsgemäß ausgestaltete periodisch arbeitende Magnetventil 15 angeordnet. Dieses Magnetventil 15 enthält von einer schematisch dargestellten und im

BAD ORIGINAL

einzelnen auch nicht zu erläuternden Elektronik 16 Steuerbefehle, die das Magnetventil über eine selbstverständlich erforderliche Verstärkerschaltung periodisch öffnen und schließen. Diese Elektronik 16 verwendet wiederum beispielsweise die in den öffentlichen Versorgungsnetzen übliche Wechselspannung (z. B. 50 Hz) und erzeugt. Rechtecksteuerimpulse, die in ihrer Ein- und Ausschaltdauer den Zustandsbedingungen in der Wärmepumpenanlage entsprechend variierbar sind. Nach dem Stand der Technik ist als Ansteuergröße z. B. die Wasservorlauftemperatur der Wärmepumpe, der Rücklauftemperatur, der momentan herrschende Verdampferdruck, die Außentemperatur der Wärmequelle oder auch eine Druckdifferenz von Verdampfer- und Kondensatorseite als Ansteuergröße nutzbar. Diese Steuergrößen können allein oder in sinnvoller Verknüpfung miteinander ausgewertet werden.

Fig. 3 zeigt drei Kurvenläufe a, b, c, welche unterschiedliche Durchflußzeiten für das Kältemittel symbolisieren. Bei der Kurve a ist das Verhältnis zwischen Durchflußzeit und Pause ca. 1 : 1, während gemäß der Kurve b die Durchflußzeit des Kühlmittels durch das Ventil gegenüber den Pausenabschnitten groß und gemäß der Kurve c relativ klein ist.

Außerhalb der Betriebszeit ergibt sich aus der Verwendung der erfindungsgemäßen Expansionsventilanordnung ein weiterer Vorteil derart, daß beim Takten der Wärmepumpe nach dem Ausschalten, evtl. nach einiger Zeit Nachlauf des Kältekreislaufs, das Einspritzma^netventil geschlossen werden kann, wodurch ein unerwünschter Druckausgleich zwischen Hoch- und Niederdruck im Kältesystem verhinderbar ist,

IAO ORIGINAL¹

Claims

■ Patentansprüche P\ ■

1./Expansionsventilanordnung in Wärmepumpen, insbesondere für Wärmepumpenanlagen kleiner Baugröße und mit kleiner Füllmenge, dadurch gekennzeichnet, daß im unmittelbaren Bereich in Kühlmitteltransportrichtung vor der Expansionsventil-Austrittsdüse ein in Abhängigkeit von Zustandskriterien innerhalb und/oder außerhalb der Wärmepumpe gesteuert schaltbares periodisch arbeitendes Ventil angeordnet ist.

2. Expansionsventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Expansionsventil mit dem schaltbaren, periodisch arbeitenden Ventil eine Baueinheit (15) bildet.

3. Expansionsventilanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Expansions-Schalt-Ventileinheit (.15) ein an sich bekanntes Magnetventil angeordnet ist.

4. Schaltungsanordnung für eine Expansionsventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Analog-Digital-Wandlerschaltungsanordnung (16) angeordnet ist, der eingangsseitig Zustandskriterien zugeführt sind, in Abhängigkeit derer ausgangsseitig Steuerwerte in Impuls-Pausen-Verhältnissen anm das schaltbar, periodisch arbeitende Ventil (15) abgegeben werden.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,- daß die Wechselstromfrequenz der elektrischen Versorgungsspannung als Steuertakt der Schaltungsanordnung zugeführt ist.

6. Expansionsventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Temperaturfühler zur Abgabe von Steuerkriterien für das zu schaltende Ventil angeordnet sind.

-Z-

7. Expansionsventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß DruckfUhler zur Abgabe von Steuerkriterien für das zu schaltende Ventil angeordnet sind.