DE3139044C1

DE3139044C1 - Kaelte- oder Waermepumpenkreislauf

Info

Publication number: DE3139044C1
Application number: DE3139044A
Authority: DE
Inventors: Viggo 6440 Augustenborg Rudebeck
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1981-10-01
Filing date: 1981-10-01
Publication date: 1983-04-21
Also published as: GB2109522A; US4461635A; DK422982A; JPS5878050A; FR2514114A1

Description

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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

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.

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

Patentansprüche:

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.