DE3206967A1

DE3206967A1 - Durch eine verbrennungskraftmaschine angetriebene waermepumpe

Info

Publication number: DE3206967A1
Application number: DE19823206967
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: BEDIA MASCHF VERWALT
Current assignee: BEDIA MASCHF VERWALT
Priority date: 1982-02-26
Filing date: 1982-02-26
Publication date: 1983-09-08

Description

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J. Maxton - Maxton · Langmaack Patentanwälte

Patentanwälte Maxton & Ungmaack · Pfwdmengeastr. SO ■ 5000 KOIn 51 „ .

Robert Breda (1895-1943) Alfred Maxton sr. (1943-1978) Alfred Maxton Jürgen Langmaack Diplom-Ingenieure fru)

zugelassen beim Europaischen Patentamt

5000 Köln

Unsere Zeichen Datum

527 pg 814

Bezeichnung: Durch eine Verbrennungskraftmaschine angetriebene Wärmepumpe

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe, die zur Regulierung des Arbeitsstoffzuflusses zum Verdampfer mit einem Schwimmerventil versehen ist.

Für kleine und mittelgroße Wärmepumpenanlagen werden in der Regel sogenannte trockene Verdampfer verwendet. Hierbei wird der Arbeitsstoff in den Verdampfer eingespritzt und benetzt die Innenwandungen des Verdampfers. Hierbei bildet sich ein Gemisch aus Arbeitsstoffdampf und Arbeitsstofftröpfchen, das durch die Verdampferrohre wandert. Der Verdampfer muß nun so dimensioniert werden, daß mit fortschreitender Wärmeaufnahme auch die Schwebetröpfchen gegen Ende des Verdampfers vollständig in Dampf umgewandelt sind.

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Es muß nämlich gewährleistet sein, daß keine Arbeitsstoff tropf en in den Zylinder des Verdichters gelangen. Dies ist nur dadurch möglich, daß eine Teilstrecke des Verdampfers in seinem Endbereich von völlig verdampftem Arbeitsstoff durchströmt wird, der hierbei weiterhin Wärme aufnimmt, und somit etwas überhitzt« Der Zustrom an Arbeitsstoff wird mit Hilfe eines Expansionsventils in der Zulaufleitung zum Verdampfer geregelt, und zwar mit Hilfe eines Temperaturfühlers, der in der Ablaufleitung des Verdampfers angeordnet ist. Bei den hier in Betracht kommenden Temperaturbereichen ergibt sich eine effektive überhitzung von etwa 9 Grad Celsius, d. h., die Dampfaustxittstemperatur liegt um ca. 9 Grad Celsius höher, als dies rein physikalisch nötig wäre. Der Nachteil dieser Anordnung liegt darin, daß die Leistungsziffer einer Wärmepumpe entsprechend niedriger ist, als dies theoretisch bei einem Verdampfer ohne überhitzung möglich wäre.

Für Großanlagen ist es ferner bekannt, einen sogenannten überfluteten Verdampfer einzusetzen, bei dem die Verdampferrohre mit flüssigem Arbeitsstoff gefüllt sind. Über ein Schwimmerventil wird der Arbeitsstoffzufluß derart geregelt, daß das Niveau des flüssigen Arbeitsstoffes stets eine bestimmte Höhe aufweist. Für mittlere und kleinere Wärmepumpenanlagen ist ein derartiger Verdampfer jedoch zu kostspielig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Wärmepumpe der eingangs bezeichneten Art eine Ausgestaltung zu schaffen, die eine bessere Leistungsziffer als die herkömmlichen Anlagen aufweist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, 35

', daß der Verdampfer als trockener

Verdampfer ausgebildet ist, dem ein Tropfenabscheider mit Flüssigkeitssammelraum nachgeordnet ist, und daß

der Flüssigkeitssanunelraum mit dem Schwimmergehäuse des Schwimmerventils in Verbindung steht, und daß der Flüssigkeitssammelraum des Tropfenabscheiders mit einem Wärmetauscher versehen ist, der mit einer Wärmequelle in Verbindung steht.

Diese Anordnung hat den Vorteil, daß der trockene Verdampfer ohne überhitzung betrieben werden kann und dementsprechend aus dem wärmeführenden Medium, mit dem der Verdampfer beaufschlagt wird, beispielsweise Luft, eine größere Wärmemenge entzogen werden kann. Die aus dem trockenen Verdampfer austretenden Arbeitsstofftröpfchen werden in dem nachgeschalteten Tropfenabscheider abgeschieden, so daß hier sichergestellt ist, daß keine Arbeitsstofftröpfchen zum Verdichter gelangen. Dadurch, daß Wärme dem Flüssigkeitssammelraum des Tropfenabscheiders zugeführt wird und der sich dort ansammelnde flüssige Arbeitsstoff verdampft wird, arbeitet der Flüssigkeitssammelraum mit seinem Wärmeaustauscher praktisch als überfluteter Verdampfer. Durch die fehlende überhitzung hat der Arbeitsstoff eine sehr niedrige Temperatur, größenordnungsmäßig 5 bis 10° unter der Außenluft, mit der der trockene Verdampfer beaufschlagt wird. Der Flüssigkeitsabscheider ist zweckmäßigerweise als Zentrifugalabscheider ausgebildet.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Verdichter der Wärmepumpe in an sich bekannter Weise durch eine Verbrennungskraftmaschine angetrieben ^O ist, und daß die Motorabgasleitung mit dem Wärmetauscher im Flüssigkeitssammelraum des Tropfenabscheiders in Verbindung steht. Da wegen der fehlenden überhitzung des trockenen Verdampfers der Arbeitsstoff eine sehr niedrige Temperatur aufweist, größenordnungsmäßig 5 bis 10° unter der Temperatur der Außenluft, mit der der trockene Verdamp fer beaufschlagt wird, kann das Motorabgas ebenfalls bis in diesen Temperaturbereich heruntergekühlt werden.

Damit wird es unter voller Ausnutzung der Vorteile der erfindungsgemäßen Nachverdampfung möglich, die gesamte latente Wärme, d. h. also die Differenz zwischen Brennwert und Heizwert des Treibstoffs praktisch voll auszu-¹ nutzen, da die Abgase unter die Temperatur heruntergekühlt werden, die der Brennstoff im ursprünglichen Zustand im Tank bzw. in der Gasleitung hatte.

In zweckmäßiger Ausgestaltung ist ferner vorgesehen, daß die durch den Wärmeaustauscher hindurchgeführte Motorabgasleitung hinter dem Wärmeaustauscher mit einem Kondensatabscheider versehen ist. Durch die starke Abkühlung der Motorabgase kondensiert zumindest ein großer Teil der in den Abgasen enthaltenen Schadstoffe aus, die im Kondensatabscheider aufgefangen werden. Das Kondensat kann dann ohne Belastung der Umwelt ausgeschieden werden.

Die Erfindung wird anhand eines schematischen Schaltbildes für ein Ausführungsbeispiel einer Wärmepumpenanlage näher erläutert.

Der Wärmepumpenkreislauf wird im wesentlichen durch einen Kondensator 1, einen Luftverdampfer 2, einen Flüssigkeitsabscheider 3 mit einem Flüssigkeitssammelraum 4, sowie „_ς einen Verdichter 5 gebildet. In der Verbindungsleitung 6 zwischen Kondensator 1 und Luftverdampfer 2 ist ein Ventil 7 angeordnet, dessen Öffnungsstellung über eine Schwimmereinrichtung 8 in Abhängigkeit von dem Flüssigkeitsspiegel im Flüssigkeitssammelbehälter 4 reguliert wird.

Die mechanische Antriebsleistung für die Gesamtanlage wird über eine mit flüssigem oder gasförmigem Brennstoff betriebene Verbrennungskraftmaschine 9, beispielsweise einem Dieselmotor bereitgestellt. Der Dieselmotor 9 treibt den Verdichter 5 direkt an. Der Kondensator 1 sowie das Kühlsystem 11 des Verbrennungsmotors 9 wird mit dem Wärmeträgermittel, beispielsweise Wasser einer Heizungseinrichtung 12, beispielsweise einer Gebäude- oder Hallenheizung beaufschlagt. Die Abgasleitung 13 des Dieselmotors

9 ist durch einen Wärmetauscher 14 geführt, der mit dem Kreislauf des Heizungssystems 12 in Verbindung steht.

Das aus dem Wärmetauscher 14 austretende warme Motorabgas wird anschließend durch einen Wärmetauscher 15 geführt, der im Flüssigkeitssammelraum 4 des Flüssigkeitsabscheiders 3 liegt. Hier wird die Restwärme der Motorabgase dazu benutzt, den sich Im Flüssigkeitssammelraum 4 ansammelnden Arbeitsstoff des Wärmepumpenkreislaufes zu verdampfen, so daß diese Wärmemengen zusätzlich vom Wärmepumpenkreislauf aufgenommen werden. Die über den Wärmetauscher 15 stark abgekühlten Motorabgase werden dann über einen Kondensatabscheider 16 abgeführt, indem die Kondensatanteile des stark abge-

sich

kühlten Motorabgases/sammeln.

Der mit dem Flüssigkeitsabscheider 3 kombinierte Flüssigkeitssammelraum 4 ist mit einer Schwimmereinrichtung versehen, die über mechanische und/oder elektrische stellmittel auf das Ventil 7 in der Weise wirkt, daß bei einem Ansteigen des Flüssigkeitsspiegels das Ventil 7 entsprechend schließt, während bei einem Abfallen des Flüssigkeitsspiegels im Flüssigkeitssammelraum 4 das Ventil entsprechend öffnet. Das Ventil ist nun so eingestellt, daß der Arbeitsstoff in den Luftverdampfer 2 in einer solchen Menge eingeführt wird, daß der Arbeitsstoff im Luftverdampfer 2 nahezu vollständig verdampft, ohne daß jedoch die sonst übliche Uberhitzungszone vorhanden ist. Der aus dem Luftverdampfer 2 austretende

^JKJ Arbeitsstoffdampf führt deshalb zwangsläufig noch Flüssigkeitströpfchen mit, die dann anschließend im Flüssigkeitsabscheider 3 vom Dampf getrennt werden, so daß ein tropfenfreier Arbeitsstoffdampf zum Verdichter

5 gelangt.
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Die sich im Flüssigkeitssammelraum 4 ansammelnden Arbeitsstoffmengen werden über den Wärmetauscher 15 durch die Restwärme der Motorabgase verdampft.

Da es in erster Linie darauf ankommt, über den Luftverdampfer die Wärmeenergie der durchströmenden Außenluft zu entziehen, ist es zweckmäßig, wenn der Heizungskreislauf 10 im Bereich des Abgaswärmetauschers 14 mit einem Bypass 17 versehen ist, der ein Regelventil 18 aufweist, über dieses Regelventil läßt sich die Restwärmemenge der Motorabgase regulieren, so daß hier die Verdampfungsleistung des Wärmetauschers 15 im Flüssigkeitssammelbehälter 4 zusätzlich beeinflußbar ist. Auf diese Weise wird vermieden, daß bei einer zu geringen Restwärmemenge im Wärmetauscher 15 für die Nachverdampfung des Arbeitsstoffes das Ventil 7 im Einlaufbereich des Luftverdampfers 2 praktisch vollständig schließt und so dem Luftverdampfer 2 praktisch kein Arbeitsstoff zur Wärmeaufnahme mehr zur Verfügung steht.

Das Ventil 18 im Bypass 17 kann beispielsweise in Abhängigkeit von der Abgastemperatur hinter dem Wärmetauscher 14 geregelt werden, so daß eine Mindestabgastemperatur und damit eine Mindestwärmemenge für den Wärmetauscher 15 zur Verfügung steht.

Das Ventil 18 im Bypass 17 kann jedoch auch über den Schwimmer 8 angesteuert werden, wobei dies in der Weise geschieht, daß bei einem Ansteigen des Flüssigkeitsniveaus im Flüssigkeitssammelraum 4 über eine Maximalgrenze das Bypassventil öffnet und somit die Durchströmung des Wärmetauschers 14 entsprechend reduziert wird und damit Abgase mit höherer Temperatur zur Verfügung stehen und am Wärmetauspher 15 eine höhere Verdampfungsleistung erreicht wird.

Der Tropfenabscheider 3 kann nun mit dem Flüssigkeitssammelraum 4 in der Weise kombiniert sein, - wie in der Zeichnung schematisch dargestellt - daß beide in einer geschlossenen Baugruppe zusammengefaßt sind. 5

Tropfenabscheider und Flüssigkeitssammelraum können aber auch als getrennte Bauteile ausgeführt sein, die über eine Flüssigkeitsleitung miteinander in Verbindung stehen. Der Flüssigkeitssammelraum ist dann mit einer zusätzlichen Leitung für den verdampften Arbeitsstoff versehen, die vor dem Verdichter 5 in die vom Flüssigkeitsabscheider kommende Leitung mündet.

Statt eines im Sumpf des Flüssigkeitssanunelraumes 4 liegenden Wärmetauschers 15, - wie schematisch dargestellt - kann die für die Nachverdampfung erforderliche Wärme auch dadurch eingeleitet werden, daß der Flüssigkeitssammelraum und ggf. auch der Tropfenabscheider doppelwandig ausgeführt werden, und daß der Wärmeträger, insbesondere die heißen Motorabgase durch den so gebildeten Wandungszwischenraum hindurchgeführt werden, so daß der im Abscheidebereich noch flüssig vorhandene Arbeitsstoff mit Sicherheit verdampft.

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Claims

Maxton · Maxton · Langmaack Patentanwälte Patentanwälte Maxton & Langmaack ■ Pleidmengesslr. 50 - 5000 Köln 51 Robert Brede (1895-1943) Alfred Maxton «r. (1943-1978) Anmelder: Bedia Maschinenfabrik Aifr«d Maxton Verwaltungs GmbH Jürgen Langmaack Bendenweg 103 - 107 Dlplom-Ineenleure zugelassen bei dem 5300 Bonn 1 Europaischen Patentamt 5000 Köln si Unsere Zeichen Datum 527 pg 814 25.02.82 Bezeichnung; Durch eine Verbrennungskraftmaschine angetriebene Wärmepumpe Ansprüche:

1./Wärmepumpe, die zur Regulierung des Arbeitsstoffzuflusses zum Verdampfer mit einem Schwimmerventil versehen ist, dadurch gekennzeichnet , daß der Verdampfer (2) als trockener Verdampfer ausgebildet ist, dem ein Tropfenabscheider (3) mit Flüssigkeitssammelraum (4) nachgeordnet ist, und dafi der Flüssigkeitssammelraum (4) mit dem Schwimmergehäuse des Schwimmerventils (7) in Verbindung steht, und daß der Flüssigkeitssammelraum (4) des Tropfenabscheiders (3) mit einem Wärmetauscher (15) versehen ist, der mit einer Wärmequelle in Verbindung steht.

2. Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsabscheider (3) als Zentrifugalabscheider ausgebildet ist.

3. Wärmepumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet/ daß der Verdichter (5) der Wärmepumpe in an sich bekannter Weise durch eine Verbrennungskraftmaschine (9) angetrieben ist, und daß die Motorabgasleitung (13) mit dem Wärmetauscher (15) im Flüssigkeitssammelraum (4) des Tropfenabscheiders (3) in Verbindung steht-

4. Wärmepumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Motorabgasleitung hinter dem Wärmetauscher (15) im Flüssigkeitssammelraum (4) mit einem Kondensatabscheider (16) versehen ist.