DE3219680A1

DE3219680A1 - Waermepumpenanlage

Info

Publication number: DE3219680A1
Application number: DE19823219680
Authority: DE
Inventors: Werner Ing.(grad.) 2430 Bentfeld Kohler; Heinz Ing.(grad.) 1000 Berlin Strop
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1982-05-21
Filing date: 1982-05-21
Publication date: 1983-11-24
Also published as: DE3377665D1; EP0095439A3; EP0095439A2; ATE36401T1; US4580720A; EP0095439B1

Description

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SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 8 2 P 8 5 1

Wärmepumpenanlage

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Wärmeerzeugung mittels Wärmepumpen und ist bei der systemtechnischen Ausgestaltung einer Wärmepumpenanlage anzuwenden.

Die heute gebräuchlichen Wärmepumpenanüagen arbeiten in aller Regel mit drei Kreisläufen: einem Solekreislauf auf der Wärmequellenseite, einem Kältemittelkreislauf beim Kompressionsprozeß und einem Heizmediumkreislauf auf der Verbraucherseite. Während vor allem auf der Verbraucherseite V/asser als Heiziuedium eingesetzt wird, werden beim Kompressionsprozeß vorzugsweise Fluorkohlenwasserstoffe verv/endet. Diese sind jedoch bei Temperaturen von etwa über 90 C im Grenzbereich ihrer Anviendungsmöglichkeit und somit bei Hochtemperaturwärmepumpen mit Heiztemperaturen von 100 bis 120 ⁰C nicht zu verwenden. Weiterhin werden bei den bekannten Anlagen zur Trennung der verschiedenen Kreisläufe mindestens zwei Wärmetauscher benötigt (DE-AS 26 26 468).

Ausgehend von einer Wärmepumpenanlage, bei der ein als Verdampfer ausgebildeter Wärmekollektor, ein Kompressor und wenigstens ein Wärmeverbraucher in einem offenen oder geschlossenen Kältemittelkreislauf angeordnet sind, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Wärmepumpenanlage systemtechnisch so auszugestalten, daß sie bei geringem apparativen Aufwand mit einem den Drei-Kreis-Wärmepumpenanlagen vergleichbaren Wirkungsgrad arbeitet und auch für die Erzeugung von Heiztemperaturen über 90 C einsetzbar ist.

Zm 3 Lo / 19.05.1982

Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß bei Verwendung von Wasser als Kältemittel der Kompressor aus einer Vakuumpumpe besteht.

Bei einer derartigen Ausgestaltung der Wärmepumpenanlage wird durch die Verwendung von Wasser ein Kältemittel eingesetzt, dessen Druckbereich um eine Größenordnung niedriger liegt als bei den üblicherweise verwendeten Fluorkohlenwasserstoffen. Die sicherheitstechnische Ausgestaltung und die Anforderungen an Bedienung und Wartung der Anlage werden dadurch reduziert. Auch kann der Steuerungsaufwand vermindert werden. Da sich Wasser durch Anwendung von Unterdruck im Niedervakuumbereich verdampfen läßt, hält sich auch der Aufwand für Verdampfer und Vakuumpumpe in engen Grenzen. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Wärmepumpenanlage ist gegeben, wenn als Vakuumpumpe eine Flüssigkeitsringpumpe mit einem Thermo-Öl als Sperrflüssigkeit und mit im Kreislauf der Sperrflüssigkeit angeordnetem Wärmeaustauscher eingesetzt wird und die Wärmeabgabeseite des Wärmeaustauschers im primären oder sekundären Wärmeträgerkreislauf des Wärmeverbrauchers liegt.

Mit der an sich seit Jahrzehnten bekannten Flüssigkeitsringpumpe, die bisher entweder als Vakuumpumpe zum Absaugen von Gasen und Dämpfen oder als Kompressor zum Verdichten von Gasen überwiegend in der chemischen Industrie eingesetzt wurde (Prospekt "Elmo-Gaspumpen" der Siemens AG, Juli 196A), wird in die Wärmepumpenanlage ein bewährtes, verschleißarmes Aggregat eingeführt, das bei einer relativ geringen Drucksteigerung eine relativ große volumetrische Leistung erbringt. Sie kann dabei auf der Druckseite auch im Temperaturbereich von 100 bis 120 °C arbeiten. Die an sich relativ große Verlustleistung dieser Pumpe wird dabei über den der Sperrflüssigkeit zugeordneten Wärmeaustauscher als zusätzliche Heizleistung in den Heizkreislauf eingespeist.

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Wesentlich für den Einsatz der Flüssigkeitsringpumpe
ist dabei, daß anstelle der bisher üblichen Sperrflüssigkeit in Form von Wasser ein Thermo-Öl eingesetzt
wird, das sich durch einen hohen Siedepunkt und durch
niedrige Viskosität bei den vorgesehenen Verdampfungstemperaturen auszeichnet. Ein geeignetes Thermo-Öl wird beispielsweise von der Firma BP unter der Bezeichnung
"Transcal LT" vertrieben.

Die neue Wärmepumpenanlage kann je nach Ausgangstemperatur der Wärmequelle sowohl im Niedertemperaturbereich als
auch im Hochtemperaturbereich eingesetzt werden. Wird
beispielsweise als Wärmequelle Flußwasser verwendet,
kann im Unterdruckbereich Wasserdampf mit Temperaturen von etwa 50 bis 70 ⁰C erzeugt werden. Mit dem Wasserdampf lassen sich Heizkörper direkt speisen, wobei der Wasserdampf im Heizkörper kondensiert. In diesen Fällen wird die Anlage so ausgestaltet, daß an die Dampfleitung
zwischen der Vakuumpumpe und dem Wärmeverbraucher eine Vorvakuumpumpe angeschlossen ist und daß dem Wärmeverbraucher ein steuerbares Ventil zur Steuerung der Kondensatmenge im Wärmeverbraucher nachgeschaltet ist.

Wird als Wärmequelle beispielsweise der Rücklauf eines Fernheiznetzes mit einer Temperatur von ca. 50 °C verwendet, läßt sich Wasserdampf im Überdruckbereich mit Temperaturen von 110 bis 120 ⁰C erzeugen. Der mit geringem Überdruck verdichtete Wasserdampf kann seine Wärme direkt oder indirekt in einem offenen od^r geschlossenen Kondensator abgeben. Besonders zweckmäßig ist eine Anlage, bei der zwischen der Vakuumpumpe und dem Wärmeverbraucher ein direkter Flüssigkeitskondensator angeordnet ist,
dessen Flüssigkeitszulauf mit dem Ausgang des Wärmeverbrauchers verbunden ist. Sofern hierbei als Vakuumpumpe eine Flüssigkeitsringpumpe eingesetzt ist, empfiehlt es sich, zur Verbesserung des Wirkungsgrades
der Anlage und zur Erhöhung der Heizteraperatur des Kon-

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dsnsats den Wärmeaustauscher der Flüssigkeitsringpumpe zwischen dem Kondensator und dem Wärmeverbraucher anzuordnen .

Bei Verwendung des Rücklaufes eines Fernheiznetzes als Wärmequelle kann man den verdichteten Wasserdampf aber auch einem Wärmetauscher zuführen, in dessen sekundärem Kreislauf der eigentliche Wärmeverbraucher liegt. Bei Einsatz einer Ringpumpe als Vakuumpumpe empfiehlt es sich in diesem Fall, die Wärmeabgabeseite des im Kreislauf der Sperrflüssigkeit der Ringpumpe angeordneten Wärmeaustauschers im sekundären Kreislauf des Wärmetauschers anzuordnen.

Die neue Wärmepumpenanlage eignet sich besonders für industrielle Prozesse im höheren Temperaturbereich und kann dort gleichzeitig für Kühl- und Heizzwecke eingesetzt werden. Sofern die Vakuumpumpe von einem wassergekühlten Verbrennungsmotor angetrieben wird, führt man zweckmäßig das Kühlwasser des Verbrennungsmotors dem Wärmekollektor der Wärmepumpenanlage als zusätzliche Wärmequelle zu. Dadurch kann vor allen bei niedrigen Temperaturen der Wärmequelle im Verdampfer ein Verdampfungsdruck erreicht werden, der im Arbeitsbereich der Flüssigkeitsringpumpe liegt.

Ausführungsbeispiele der neuen Wärmepumpenanlage sind in den Figuren 1 bis k dargestellt.

Fig. 1 zeigt den Kreislauf einer Wärmepumpenanlage, die ira Niedertemperaturbereich mit Wasser als Kältemittel arbeitet. Zur Verdichtung des erzeugten Wasserdampfes ist eine Vakuumpumpe 1 in Form einer Flüssigkeitsringpumpe vorgesehen, in deren Sperrflüssigkeitskreislauf 2 der Wärmeaustauscher 3 angeordnet ist.

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Einem als Verdampfer 4 ausgebildeten Wärmekollektor wird über den Zulauf 5 Wasser im Temperaturbereich von 0 bis 10 C, beispielsweise Flußwasser, zugeführt und direkt oder indirekt verdampft. Der Wasserdampf wird über die Dampfleitung 6 der Vakuumpumpe 1 zugeführt und gelangt von dort nach Verdichtung und Temperaturerhöhung über die Zuleitung 7 und 13 zum Wärmeverbraucher 8, beispielsweise einem Heizkörper. Im Wärmeverbraucher 8 kondensiert der Wasserdampf, der Kondensatspiegel wird

TO dabei mit Hilfe eines Ventils 10 eingestellt, das über einen Fühler 11 und eine Steuereinrichtung 12 steuerbar ist. Das Kondensat wird im übrigen über das Drosselventil 9 dem Verdampfer 4 zur erneuten Verdampfung zugeführt oder, bei Verwendung eines direkten Verdamp-

If fers, hinter dem Ventil 10 abgelassen. Bei Verwendung eines indirekten Verdampfers verläßt das als Wärmequelle verwendete Wasser den Verdampfer 4 über den Auslauf 15.

Da bei der Wärmepumpenanlage gemäß Fig. 1 Wasserdampf i^m Temperaturbereich von etwa 50 bis 60 ⁰C erzeugt wird, arbeitet die Anlage auf der Verbraucherseite im Unterdruckbereich, Aus diesem Grunde ist an die Zuleitung 13 f die Vorvakuumpumpe 14 angeschlossen, die den bei dieser f Anlage erforderlichen Kondensationsdruck gegenüber der ι Atmosphäre ständig aufrechterhält. Die Vor-vakuumpumpe i dient gleichzeitig dazu, das gesamte System ständig | luftfrei zu halten. f

Bei der Wärmepumpenanlage gemäß Fig. 2 wird dem Verdamp- P

fer 16 über den Zulauf 5 der Rücklauf eines Fernheiz- ■ netzes zugeführt und verläßt den Verdampfer über den

Auslauf 15. Die wiederum als Flüssigkeitsringpumpe aus- \

gebildete Vakuumpumpe 1 erzeugt in diesem Fall Wasser- |

dampf im Temperaturbereich von 110 bis 120 °C, der im f

Wärmetauscher 17 mit Hilfe eines sekundären Wärmeträger- | kreislaufes kondensiert wird und über das Drosselven-

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til 9 dem Verdampfer 16 erneut zugeführt wird. In diesem Fall 1st der Wärmeaustauscher der Flüssigkeitsringpumpe Im Kreislauf 18 des sekundären Wärmeträgers hinter dem Wärmeaustauscher 17 angeordnet. 5

Bei der Wärmepumpenanlage gemäß Fig. 3 wird dem als Indirektem Verdampfer 16 ausgebildeten Wärmekollektor ebenfalls warmes Wasser mit Temperaturen von 50 bis 60 °C zugeführt, so daß mit Hilfe der Flüssigkeitsringpumpe 1 Wasserdampf im Überdruckbereich erzeugt wird. In dem der Vakuumpumpe nachgeschalteten direkten Flüssigkeitskondensator 20 wird dieser Wasserdampf konden- j j siert, indem dessen Flüssigkeitszulauf mit dem Ausgang des Wärmeverbrauchers 19 über die Zuleitung 21 verbunden 1st. Das im Kondensator 20 gebildete Kondensat wird mit Hilfe des Wärmeaustauschers 3 der Flüssigkeitsringpumpe 1 weiter erhitzt.

Gemäß Fig. 4 kann die Flüssigkeitsringpumpe 1 von einem wassergekühlten Verbrennungsmotor 23 angetrieben sein, wobei der Wasserzulauf zum Indirekten Verdampfer 16 derart gestaltet 1st, daß das Kühlwasser des Verbrennungsmotors dem Verdampfer 16 als zusätzliche Wärmequelle zugeführt wird.

6 Ansprüche
4 Figuren

Claims

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Patentansprüche

1 ./Wäriaepuinpenanlage, bei der ein als Verdampfer ausgebildeter Wärmekollektor, ein Kompressor und wenigstens ein Wärmeverbraucher in einem offenen oder geschlossenen Kältemittelkreislauf angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Wasser als Kältemittel der Kompressor aus einer Vakuumpumpe (1) besteht.

2. Wärisepumpenanlage nach Anspruch 1,

dadurch

gekennzeichnet , daß an die Dampfleitung (13) zwischen der Vakuumpumpe (1) und dem Wärmeverbraucher (8) eine Vorvakuumpumpe (14) angeschlossen ist und daß dem Wärmeverbraucher (8) ein steuerbares Ventil (10) zur Steuerung der Kondensatmenge im Wärmeverbraucxier nachgeschaltet ist.

3. Wärmepumpenaniage nach Anspruch 1,

dadurch

gekennzeichnet, daß zwischen der Vakuumpumpe (1) und dem Wärmeverbraucher (19) ein direkter Flüssigkeitskondensator (20) angeordnet ist, dessen Flüssigkeitszulauf (22) mit dem Ausgang des Wärmeverbrauchers (19) verbunden ist.

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4. Wärmepumpenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Vakuumpumpe eine Flüssigkeitsringpumpe (1,2,3) mit einem Thermo-Öl als Sperrflüssigkeit und mit im Kreislauf der Sperrflüssigkeit angeordnetem Wärmeaustauscher (3) eingesetzt ist und daß die Wärmeabgabeseite des Wärmeaustauschers (3) im primären oder sekundären Wärmeträgerkreislauf des Wärmeverbrauchers (17,19) liegt.

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5. Wärmepumpenanlage nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Wärmeaustauscher (3) zwischen dem Kondensator (20) und dem Wärmeverbraucher (19) angeordnet ist.

6. Wärmepumpenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuumpumpe { '' -iron einem wassergekühlten Verbrennungsmotor (2.. angetrieben ist, dessen Kühlwasser dem Wärmekoile.'trrr (16) als zusätzliche Wärmequelle zugeführt wird.