DE3139044C1 - Kaelte- oder Waermepumpenkreislauf - Google Patents
Kaelte- oder WaermepumpenkreislaufInfo
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Description
65
Die Erfindung bezieht sich auf einen Kälte- oder Wärmepumpenkreislauf, bei dem zumindest ein Verdichter,
ein Kondensator, ein Expansionsventil und ein Verdampfer in Reihe liegen und das auf eine
Überhitzung eingestellte Expansionsventil mit Hilfe eines zwischen Verdampfer und Verdichter thermisch
mit der Saugleitung verbundenen Fühlers in Abhängigkeit vom Trocknungsgrad des Kältemittels am Verdampferaustritt
gesteuert wird.
Normalerweise wird ein Expansionsventil in Abhängigkeit von der von einem Fühler am Ausgang des
Verdampfers ermittelten Überhitzung des Kältemittels gesteuert. Damit diese Überhitzung gegenüber der
Verdampfertemperatur erreicht werden kann, muß bereits im Verdampfer eine vollständige Verdampfung
des Kältemittels erfolgen. Hierdurch wird die Verdampferleistung gegenüber demjenigen Wert herabgesetzt,
den man erreichen könnte, wenn der Trocknungsgrad des Kältemittels am Verdampferaustritt beispielsweise
nur 85% betragen würde. Solange aber der Trocknungsgrad unter 1 liegt, findet keine Überhitzung statt und das
Expansionsventil ist nicht arbeitsfähig.
Bei einem bekannten Kreislauf der eingangs beschriebenen Art (DE-AS 24 45 065) kann ein übliches auf
Überhitzung ansprechendes Expansionsventil dadurch in Abhängigkeit vom Trocknungsgrad des Kältemittels
am Verdampferaustritt gesteuert werden, daß der Fühler an einer Bypassleitung angebracht ist, welche
einen zwischen Verdampfer und Verdichter geschalteten Wärmetauscher überbrückt, in welchem druckseitiges
und daher heißes Kältemittel das saugseitige Kältemittel beheizt. Die Bypassleitung ist vor dem
Fühler mit einer Heizvorrichtung versehen, welche dem abgezweigten Teil des saugseitigen Kältemittels eine so
große Wärmemenge zuführt, daß eine für das Ansprechen des Expansionsventils erforderliche Überhitzung
auftritt. Dies ermöglicht es, den Verdampfer besser auszunutzen bzw. bei einer vorgegebenen
Leistung mit einem kleineren Verdampfer auszukommen. Dies ist insbesondere bei Wärmepumpenanlagen
für die Beheizung von Wohnungen von Interesse, bei denen der Verdampfer ein relativ teures Bauteil ist.
Allerdings führt die Verwendung einer Bypassleitung in Verbindung mit dem Wärmetauscher zu einem erhöhten
Aufwand. Da der Fühler mit Abstand hinter dem Verdampferaustritt angeordnet ist, ergibt sich eine
große Regelstrecke mit entsprechender Verzögerung beim Ansprechen des Expansionsventils. Da das
Expansionsventil erst schließt, wenn flüssiges Kältemittel bis nahe an den Fühler gelangt ist, der sich am Ende
der Bypassleitung befindet, besteht die Gefahr, daß dieses flüssige Kältemittel bis in den Verdichter kommt
und dort Schäden hervorruft.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kälte- oder Wärmepumpenkreislauf der eingangs
beschriebenen Art anzugeben, bei dem der Trocknungsgrad des Kältemittels am Verdampferaustritt auf einem
vorgegebenen Wert gehalten werden kann, ohne daß in der Leitungsführung des Kältemittelkreislaufs besondere
Vorkehrungen getroffen werden müßten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Fühler im Anschluß an den Verdampferaustritt
angeordnet und thermisch mit einer Wärmequelle verbunden ist, die während des Betriebs des Verdichters
dem Fühler eine solche Wärmemenge zuführt, daß dieser beim Vorhandensein des gewünschten Trocknungsgrades
eine der eingestellten Überhitzung entsprechende Temperatur annimmt.
Bei dieser Anordnung verbleibt der Fühler an seinem üblichen Platz, also an der an den Verdampferaustritt
anschließenden Saugleitung. Er befindet sich daher
unmittelbar an derjenigen Stelle, wo der Trocknungsgrad des Kältemittels festgestellt werden soll und auf
jeden Fall vor einem nachgeschalteten Wärmetauscher, Flüssigkeitsabscheider od. dgl. Im Gegensatz zu der
bekannten Überhitzungssteuerung, bei der der Fühler die Temperatur des Sauggases annimmt, führt die
Verwendung der Wärmequelle zu einer Gleichgewichtstemperatur des Fühlers. Die zugeführte Wärmemenge
ist von der Wärmequelle bestimmt, die abgeführte Wärmemenge hängt vom Trocknungsgrad des Kältemittels
ab. Je mehr flüssiges Kältemittel noch enthalten ist, um so stärker ist die Wärmeabfuhr und um so
geringer die Fühlertemperatur. Daher ist es möglich, den gewünschten Trocknungsgrad entweder durch eine
Expansionsventils auf mindestens 100C eingestellt. Eine
solche hohe statische Überhitzung ist gleichbedeutend mit einer starken Vorspannung der Schließfeder im
Expansionsventil. Dies ergibt eine schnelle Schließfunktion, sobald zu viel flüssiges Kältemittel vom Verdampfer
bis in den Fühlerbereich gelangt Ein solches Expansionsventil kann ein Standardventil mit Normalfüllung
sein. Lediglich durch Wahl der Heizleistung der Wärmequelle kann man eine Anpassung an die meisten
ι ο Kältemittel typen und Betriebsarten erreichen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 ein Schaltbild eines Wärmepumpenkreislaufs
F i g. 1 ein Schaltbild eines Wärmepumpenkreislaufs
Änderung der übertragenen Wärmemenge oder durch 15 gemäß der Erfindung,
eine Änderung der Überhitzungseinstellung am Expan- F i g. 2 einen Schnitt durch Saugleitung, Fühler und
sinkt die Fühlertemperatur das Expansionsventil kann
sionsventil zu ändern. In der Praxis wird letzteres bevorzugt. Insgesamt kann daher der Verdampfer
nahezu lOO°/oig ausgenutzt werden. Die Ansprechgeschwindigkeit des Regelkreises entspricht annähernd
derjenigen der üblichen Überhitzungsregelung. Sobald der Flüssigkeitsanteil des Kältemittels am Verdampferaustritt
zu groß wird,
entsprechend ab und
vollständig schließen.
entsprechend ab und
vollständig schließen.
Günstig ist es ferner, wenn der Wärmequelle eine Steuervorrichtung zugeordnet ist, weiche die dem
Fühler zugeführte Wärmemenge etwa konstant hält, aber bei Überschreiten eines Grenzwertes einer von der
Belastung des Verdichters abhängigen Steuergröße herabsetzt. Unterhalb des Grenzwerts ergibt sich daher
die beschriebene Abhängigkeit. Oberhalb des Grenzwerts dagegen wird die Verdampferleistung herabgesetzt,
so daß eine Überlastung des Verdichters vermieden wird.
Die einfachste Schaltung ergibt sich, wenn die Steuervorrichtung die Leistungszufuhr zur Wärmequelle
bei Überschreiten des Grenzwertes abschaltet. Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß die Steuervor-Heizelementund
F i g. 3 das Expansionsventil in schematischer Darstellung.
In F i g. 1 weist der Wärmepumpenkreislauf einen Verdichter 1 mit nachgeschaltetem Rückschlagventil 2
auf. Es folgt ein Kondensator 3, der Teil eines Wärmetauschers 4 ist, mit dessen Hilfe das Heizmedium
eines mit einer Umwälzpumpe 5 versehenen Heizkreislauf s 6 beheizt wird. Flüssigkeit wird in einem Sammler 7
gesammelt. Hieran schließt der Primärteil eines Wärmetauschers 8 an und es folgt ein Absperr-Magnetventil
9 und ein thermostatisches Expansionsventil 10. Einem Verdampfer 11, dem ein Gebläse 12 zugeordnet
jo ist, wird das entspannte Druckmittel über einen
Verteiler 13 zugeleitet. Danach folgt ein Flüssigkeitsabscheider 14, der Sekundärteil des Wärmetauschers 8 und
wieder der Verdichter 1. Zum Abtauen ist eine Überbrückungsleitung 15 mit einem Absperr-Magnetventil
16 vorgesehen. Bei gesperrtem Magnetventil 9 kann über diese Überbrückungsleitung 15 heißes
Druckgas direkt in den Verdampfer 11 geleitet werden. Das thermostatische Expansionsventil 10 ist über eine
Druckausgleichsleitung 17 mit einem oben an der
richtung die Leistungszufuhr zur Wärmequelle bei 40 Saugleitung 22 angeordneten Anschluß 18 und über eine
Überschreiten des Grenzwerts mit zunehmender Steuergröße reduziert. Hiermit erreicht man eine
ständige Anpassung an die jeweiligen Betriebsverhältnisse, dies ergibt eine bessere Steuerung des Kälte- oder
Wärmepumpenkreislaufes ohne Pendelungen.
Insbesondere kann der Motorstrom des Verdichters die Steuergröße bilden. Es kommen aber auch andere
von der Belastung abhängige Größen in Betracht, beispielsweise die Wicklungstemperatur des Motors.
Kapillarrohrleitung 19 mit einem Fühler 20 verbunden. Über die Druckausgleichsleitung 17 wird dem Expansionsventil
10 der Saugdruck zugeführt, der der Verdampfertemperatur fi entspricht. Der Fühler 20 liegt
an einem an den Austritt 21 des Verdampfers 11 anschließenden Abschnitt der Saugleitung 22 an und
nimmt eine Temperatur ti an.
An der Außenseite des Fühlers 20 ist ein elektrisches Heizelement- 23 in der Form eines PTC-Widerstands
Als Wärmequelle empfiehlt sich ein elektrisches 50 angelegt Durch eine gemeinsame Schelle 24 mit
Heizelement. Hierfür kommt beispielsweise ein Drahtwiderstand in Betracht. Bevorzugt wird jedoch ein
PTC-Widerstand oder ein Leistungstransistor, weil diese Heizelemente ihre Temperatur und damit ihre
Wärmeabgabe annähernd konstant halten können.
Mit besonderem Vorteil ist die Wärmequelle nur über den Fühler mit der Saugleitung thermisch verbunden. Es
entfallen daher störende Wärmeeinflüsse, die von der Wärmequelle direkt auf das Kältemittel in der
Saugleitung wirken könnten.
Bei einer praktischen Ausführungsform ist dafür gesorgt, daß ein elektrisches Heizelement auf der der
Saugleitung abgewandten Seite des Fühlers angeordnet ist und eine gemeinsame Schelle alle drei Teile
Spannschraube 25 werden Heizelement 23 und Fühler 20 am Rohrabschnitt 22 festgehalten. Das Heizelement
23 wird über eine Steuervorrichtung 26 mit Strom versorgt, wenn ein Thermostatschalter 27 den Verdichter
1 an Spannung C/legt
Die Steuervorrichtung 26 versorgt das Heizelement 23 mit konstanter Leistung, bis der an einem
Meßwiderstand 28 festgestellte Motorstrom / einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Steigt der
Motorstrom / weiter, nimmt die dem Heizelement 23 zugeführte elektrische Leistung proportional ab. Alternativ
kann die Steuereinrichtung 26 auch einen Schalter enthalten, der beim Überschreiten des Grenzwerts des
Motorstroms öffnet und das Heizelement 23 von der
umspannt. Gegenüber der bekannten Überhitzungs- 65 Spannung abtrennt,
steuerung braucht lediglich das Heizelement zusätzlich Das Expansionsventil 10 weist ein Gehäuse 29 mit
mit festgespannt zu werden. Eingangsstutzen 30, Austrittsstutzen 31 und Ventilsitz
Mit besonderem Vorteil ist die Überhitzung des 32 auf. Das zugehörige Verschlußstück 33 ist mit einer
abgedichtet durch eine Querwand 34 geführten Stange 35 verbunden, welche - von einem Balgelement 36
verstellbar ist. Dieses wird in Schließrichtung vom Druck im Raum 37 und von einer Feder 38 belastet, die
mit Hilfe einer Stellschraube 39 einstellbar ist. In >
Öffnungsrichtung wirkt der Druck im Raum 40. Der Raum 37 ist über die Druckausgleichsleitung 17 mit der
Saugleitung 22, der Raum 40 über die Kapillarrohrleitung 19 mit dem Fühler 20 verbunden. Letzterer hat eine
Flüssigkeits-Dampf-Füllung, so daß die Fühlertempera- i« tür einem bestimmten Dampfdruck entspricht.
Da der Kreislauf so betrieben werden soll, daß im Saugleitungsabschnitt 22 ein Trocknungsgrad unter 1,
z. B. 0,85, vorherrscht, enthält das im Innenraum 41 des zugehörigen Abschnitts der Saugleitung 22 befindliche
Kältemittel noch Flüssigkeitsteilchen 42. Das Expansionsventil 10 öffnet nur, wenn der von der Temperatur
fr des Fühlers 20 abhängige Dampfdruck über, dem Druck in der Saugleitung 22 liegt, weil die Vorspannung
der Feder 38 überwunden werden muß. Mit Hilfe des Heizelements 23 wird dem Fühler 20 eine vorzugsweise
konstante Wärmemenge zugeführt, beispielsweise 10 W bei einer Spannung von 24 V. Demnach nimmt das
Heizelement eine Temperatur fr an. Die Wärmemenge ist hierbei so bemessen, daß trotz des Wärmeentzugs
beim Fühler 20 durch das noch Flüssigkeitsteilchen enthaltende Sauggas die Fühlertemperatur fr der
eingestellten Überhitzungstemperatur des Expansionsventils entspricht. Nimmt die Feuchtigkeit des Kältemittels
zu, ist der Wärmeentzug stärker; fr sinkt. Steigt dagegen der Trocknungsgrad, ist der Wärmeentzug
geringer; fr nimmt zu.
Durch Wahl der Heizleistung läßt sich die Anordnung jedem beliebigen Kältemittel anpassen. Durch Wahl der
Spannung der Feder 38 läßt sich die Überhitzungstemperatur einstellen und damit der Trocknungsgrad am
Austritt 21 des Verdampfers 11. Vorzugsweise wird eine
hohe Überhitzung von 100C und mehr eingestellt. Dies
bedeutet, daß die Schließkraft des Ventils groß ist und die Reaktionszeit bei Temperaturänderungen entsprechend
klein. Durch die belastungsabhängige Steuerung der Heizleistung des Heizelements 23 wird ferner mit
einer Standardfüllung des thermostatischen Systems des Expansionsventils eine ähnliche Wirkung erreicht, wie
sie bei einer Regelung nach dem maximalen Betriebsdruck (MOP-Einstellung) mit einer Spezialfüllung erzielt
wird, d. h. wenn die Verdichterbelastung kritisch wird, sinkt durch Verminderung der Heizleistung auch die
Verdampferleistung und damit die Verdichterleisfung.
Zur Erzielung der erstrebten Regelung des Trocknungsgrades kann daher ein übliches Expansionsventil
mit Normalfüllung verwendet werden. Der Kältemittelkreislauf braucht nicht geändert zu werden. Es muß
lediglich das Heizelement mit entsprechender Anpassung
bzw. Regelung der Heizleistung hinzugefügt werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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Claims (11)
1. Kälte- oder Wärmepumpenkreislauf, bei dem zumindest ein Verdichter, ein Kondensator, ein r>
Expansionsventil und ein Verdampfer in Reihe liegen und das auf eine Überhitzung eingestellte
Expansionsventil mit Hilfe eines zwischen Verdampfer und Verdichter thermisch mit der Saugleitung
verbundenen Fühlers in Abhängigkeit vom Trock- ">
nungsgrad des Kältemittels am Verdampferaustritt gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet,
daß der Fühler (20) im Anschluß an den Verdampferaustritt (21) angeordnet und thermisch mit einer
Wärmequelle (23) verbunden ist, die während des '5 Betriebs des Verdichters (1) dem Fühler eine solche
Wärmemenge zuführt, daß dieser beim Vorhandensein des gewünschten Trocknungsgrades eine der
eingestellten Überhitzung entsprechende Temperatur annimmt.
2. Kreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmequelle (23) eine Steuervorrichtung
(26) zugeordnet ist, welche die dem Fühler (20) zugeführte Wärmemenge etwa konstant hält,
aber bei Überschreiten eines Grenzwertes einer von der Belastung des Verdichters (1) abhängigen
Steuergröße (^herabsetzt.
3. Kreislauf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (26) die
Leistungszufuhr zur Wärmequelle (23) bei Überschreiten des Grenzwertes abschaltet.
4. Kreislauf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (26) die
LeistungszufuhF«zur Wärmequelle (23) bei Überschreiten
des. !Grenzwertes mit zunehmender -35
Steuergröße $ reduziert.
5. Kreislauf nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Motorstrom des
Verdichters (1) die Steuergröße ß) bildet.
6. Kreislauf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle (23)
ein elektrisches Heizelement ist.
7. Kreislauf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Heizelement (23) ein
PTC-Widerstand ist.
8. Kreislauf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Heizelement (23) ein
Leistungstransistor ist.
9. Kreislauf nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle (23)
nur über den Fühler (20) mit der Saugleitung (22) thermisch verbunden ist.
10. Kreislauf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrisches Heizelement (23) auf
der der Saugleitung (22) abgewandten Seite des Fühlers (20) angeordnet ist und eine gemeinsame
Schelle (24) alle drei Teile umspannt.
11. Kreislauf nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die Überhitzung des Expansionsventils (10) auf mindestens 100C eingestellt
ist.
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