DE3433366A1

DE3433366A1 - Verfahren zur waermeenergiezu- und -abfuhr sowie waermepumpeneinrichtung

Info

Publication number: DE3433366A1
Application number: DE19843433366
Authority: DE
Inventors: Peter 2351 Hasenkrug Koch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-09-08
Filing date: 1984-09-08
Publication date: 1986-03-20

Description

Hamburg,, den 31. August 1984 · 285784

Anmelder:

Peter Koch
Lohweg 5

2351 Hasenkrug

Verfahren zur Wärmeenergiezu- und -abfuhr sowie Wärmepumpeneinrichtung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmeeenergiezu- und -abfuhr von und zu einem Flüssigkeitsbad, insbesondere einem aggresssive Dämpfe entwickelnden Reinigungsbad, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Wärmepumpeneinrichtung, insbesondere zur Durchführung des genannten Verfahrens, nach dem Oberbegriff des Anspruchs

Zur Aufheizung von Flüssigkeiten, z. B. Heizungswasser ist es bekannt, Wärmepumpen einzusetzen. Eine Wärmepumpe enthält im wesentlichen ein in einem geschlossenen Kreislauf zirkulierendes Kältemittel, das durch einen Kompresssor erhitzt wird,

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und in einem nachgeschalteten Wärmetauscher seine fiärme an das aufzuheizende Medium abgibt, wobei es sich wieder verflüssigt. In ei.nem nachgeschalteten Expansionsventil werden tiefe Temperaturen erreicht, 4ie_es ermöglichen, daß das Kältemittel in dem anschließenden Wärmetauscher (Verdampfer) aus einer Energiequelle Wärme aufnimmt und dabei verdampft. Dieser Dampf wird wieder durch den Kompressor auf eine höhere Temperaturstufe gebracht. Als Energieträger können Grundwasser, Abwasser, Oberf lächenwasser, _Luf_t,-Erde oder andere Medien mit großer Wärmekapazität verwendet werden.

Es ist bekannt, durch Unterkühlung des den Verflüssiger ver- ; lassenden Kondensats eine Leistungssteigerung der Wärmepumpe zu erreichen. In der älteren Anmeldung P 33 11 505.2 ist eine Wärmepumpeneinrichtung in Kaskadenform angegeben, die aus einer Niedertemperatur- und einer Hochtemperaturstufe besteht, bei der in jedem Kreis eine Unterkühlung des Kondensats stattfindet. Nach der Erfindung der älteren Anmeldung erfolgt dabei die Unterkühlung mittels des nachfolgend dem Verdampfer des Niedertemperaturkreises zugeführten Energieabgabemediums. Auf diese Weise wird eine wirtschaftliche Heizung eines Verbrauchermediums möglich. Bei der Aufheizung eines industriellen Reinigungsmittels, mit dem z.B. Eisenteile entfettet werden, tritt unerwünschter Abdampf auf, der je nach Zusammensetzung des Reinigungsmittels sehr aggressiv sein kann. Es ist bekannt, diesen Abdampf über Filteranlagen und Ventilatoren abzusaugen und über Waschanlagen unschädlich zu machen. Es verbleibt jedoch ein großer Enegiebedarf. Weiterhin ergibt die Beseitigung des schädlichen Abdampfes Umweltprobleme.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur'Wärme-j energiezu- und abfuhr von und zu einem Flüssigkeitsbad, insbedere aggressive Dämpfe entwickelnden Reinigungsbad, anzugeben,

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das bei Verwendung einer Wärmepumpeneinrichtung einen energ-iesparenden und gering umweltbelastenden Betrieb ermöglicht. Das Verfahren soll dabei die unterschiedlichen Betriebsphasen unter geringem Aufwand ermöglichen sowie flexible handhabbar sein, wobei noch Überschußenergie anderweitig verwertet werden kann. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens anzugeben, die einen energiesparenden und gering umweltbelastenden Betrieb mit hohem Wirkungsgrad ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 sowie im Anspruch 8 angegebene Erfindung gelöst. Weitergehende Merkmale der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben. Mit Hilfe der Erfindung kann der Energiebedarf zum Aufheizen eines Reinigungsbades wesentlich verringert werden. Die sich bei der Arbeitstemperatur entwickelnden Dämpfe werden wirkungsvoll abgekühlt und im Ruhebetrieb der Anlage kann noch Überschußenergie an andere Verbraucher abgegeben werden. In der Betriebsphase kann die zum Aufheizen erforderliche Energie nahezu vollständig aus der bei der Abkühlung des Abdampfes gewonnenen Energie gewonnen werden. Mittels einer Steuerschaltung können in Abhängigkeit von dem Energieverbrauch die verschiedenen Wärmetauscher zu- oder abgeschaltet werden. Weitere Vorzüge und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Ansprüchen.

In einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung nachstehend näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 die Aufheizphase eines Reinigungsbades, Fig. 2 die Betriebsphase,
Fig. 3 die Ruhephase,

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Fig. 4 die Abführung von uberschußenergie,

Fig. 5 eine andere Ausführung zur Abführung von ,---' Überschußenergie.

Fig. 1 zeigt den Aufbau einer Wärmepumpeneinrichtung in Form einer zweistufigen" Kaskade. Das im Verdampfer 5 bzw. im Wärmetauscher 9 verdampfte Kältemittel wird im Kompressor 1 verdichtet und auf eine höhere Temperatur gebracht. Im Verflüssiger 4 wird die Energie an den Verdampfer des Hochtemperaturkreises übertragen, wobei das Kältemittel des Niedertemperaturkreises verflüssigt wirdTDürcn die Entspannungsdrossel 6 werden Temperatur und Druck stark erniedrigt. Wenn das Medium 12 eine höhere Temperatur als das Kältemittel, das durch den Wärmetauscher 9 fließt, aufweist, wird Wärmeenergie an das Kältemittel übertragen, wodurch es zum großen Teil verdampft. In der Hochtemperaturstufe wird der Dampf, der aus dem Verdampfer 4 austritt, und der bereits eine erhöhte Temperatur aufweist, auf eine noch weiter höhere Temperatur mittels des Verdichters 2 erwärmt. Diese Wärmeenergie wird dann im Verflüssiger 3 an das aufzuheizende Medium 11 abgegeben. Im Entspannungsventil 7 werden Druck und Temperatur des Kältemittels wieder verringert, so daß das Hochtemperaturkältemittel im Verdampfer/Verflüssiger 4 wieder neue Energie aufnehmen kann. Der Verflüssiger 3 steht im unmittelbaren Kontakt zum Flüssigkeitsbad 11, das mittels der Wärmepumpeneinrichtung aufgeheizt werden soll.

Die Aufheizenergie wird im wesentlichen vom Medium 12 abgeleitet, das seine Energie über den Wärmetauscher 9 an den Niedertemperaturkreis:abgibt. Ein zusätzlicher Anteil an Energie entstammt den Verdichtern 1 und 2.

Der Verdampfer 5 steht im unmittelbaren Kontakt mit dem Abdampf 10, der aus dem Flüssigkeitsbad 11 bei erhöhter Temperatur austritt. Solange kein Abdampf vorliegt, wird * die Energie allein aus dem Medium 12 entnommen. Das Medium 12 kann ertweder das Erdreich, Grundwasser, Abwasser oder ein anderes Medium relativ konstanter Wärmekapazität sein.

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Fig. 2 zeigt die Zusammenschaltung der Einrichtungen der Wärmepumpenanlage für die Betriebsphase. Wenn das Reinigungsbad genügend aufgeheizt ist und Abdampf entsteht, wird der Wärmetauscher 9 abgeschaltet und die Energie zum weiteren Aufheizen wird aus dem Abdampf 10 über den Verdunster 5 gewonnen. Dabei kühlt sich der...Abdampf in gewünschter Weise ab, wodurch dessen Schädlichkeit geringer wird. Die weitere Energiezufuhr zum Reinigungsbad 11 wird dann allein aus der Energie des Abdampfes des Reinigungsbades 11 gewonnen.

Fig. 3 zeigt die Ruhephase. Sobald die gewünschte Temperatur des Reinigungsbades erreicht ist, muß die weitere Energiezufuhr abgeschaltet werden, jedoch muß der Abdampf weiter gekühlt werden. Daher wird vorzugsweise die Hochtemperaturstufe durch Abschalten des Kompressors 2 wirkungslos gemacht. Die aus dem Abdampf 10 gewonnene Energie muß jedoch abgeführt werden, und daher wird der Wärmetauscher 9 zwischen dem Verflüssiger 4 und das Entspannungsventil 6 geschaltet. Wenn das Medium 12 das Grundwasser darstellt, weist damit das Kältemittel im Wärmeaustauscher 9 ein höheres Temperaturniveau auf und es kann Energie aus dem Kältemittel über den Wärmetauscher 9 an das Medium 12 abgegeben werden. Damit tritt gleichzeitig eine Abkühlung des Kältemittels ein, welches im Sinne einer vergrößerten Energieaufnahme aus dem Abdampf 10 wirkt. Anstatt die Energie an das Medium abzugeben, kann die Überschußenergie jedoch an einen anderen Verbraucher abgegeben werden.

Fig.-4 zeigt die Anordnung der Wärmepumpe, wenn neben der Aufheizenergie noch Überschußenergie anfällt. Dies ist ins-

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besondere dann der Fall, wenn die Aufheizenergie nur zur Temperaturkonstanthaltung des-Reinigungsbades erforderlich ist.-Anstelle der Abschaltung der Hochtemperaturstufe kann jedoch auch eine Regelung—dieser Stufe vorgesehen werden, nämlich, indem der Kompressor in seiner Drehzahl in Abhängigkeit von der notwendigen Energie geregelt wird. Einer Drehzahlregelung des Kompressors isT vor allem dann möglich, wenn der Kompressor als Vielzellenverdichter oder auch Drehschieberverdichter aufgebau-t—i-st-i

Fig. 5 zeigt eine Anordnung, bei der neben dem weiteren Wärmetauscher 9 ein weiterer Wärmetauscher 8 in der Hochtemperaturstufe vorhanden ist. Die Überschußenergie kann daher wahlweise an ein Medium 12, das durch das Kältemittel der Niedertemperaturstufe aufgeheizt wird, oder durch das Kältemittel der Hochtemperaturstufe an ein*en Verbraucher 13 abgegeben werden. Damit kann die Wärmepumpeneinrichtung an verschiedene betriebliche Zwecke angepaßt werden. Zur Um- oder Abschaltung der Wärmetauscher 8, 9 sowie der Entspannungsventile 6,7 dienen vorzugsweise Magnetventile, die von einer zentralen Steuerungseinrichtung betätigt werden.

Je nach Temperaturniveau des Verbrauchsmedium, an das die Überschußwärme abgegeben werden soll, kann der Wärmetauscher vor oder hinter dem Entspannungsventil 6, 7 angeordnet werden. Von Vorteil ist es, wenn die Wärmetauscher 8, 9 vor dem Entspannungsventil 6,7 angeordnet sind, da dann das Temperaturgefälle zur Wärmeabgabe in der Regel vergrößert ist.

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Bezugszeichenliste:

1	Kompressor
2	M
3	Verflüssiger
4	Verdampfer/Verflüssiger
5	Verdampfer
6	Entspannungsdrossel
7	Il
8	Wärmetauscher
9	Il
10	Abdampf
11	Flüssigkeitsbad
12	Medium
13	Verbraucher

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Claims

··, - ■ Hamburg., den 31. August 1984

285784

Anmelder: - - - - 3433366

Peter Koch

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Ansprüche: . .

Verfahren, zur Wärmeenergiezu- und -abfuhr von und zu einem Flüssigkeitsbad, insbesondere einem aggressive Dämpfe entwickelnden Reinigungsbad, bei dem die Aufheizung des Bades mittels einer Wärmepumpeneinrichtung, mit wenigstens einem Verdampfer und einem Verflüssiger erfolgt, und die verschiedenen Betriebsphasen durchweine Steuerschaltung eingestellt werden, gekennzeichnet durch folgende Betriebsphasen:

a) in der Aufheizphase wird die über dem Verflüssiger an das Flüssigkeitsbad übertragene Wärmeenergie im wesentlichen auf einen weiteren dem Verdampfer paralIeI oder vorgeschalteten Wärmetauscher, der mit einem Medium großer Wärmekapazität in Verbindung steht, gewonnen,

b) in der Arbeitsphase wird die zur Aufrechterhaltung der Temperatur des Flüssigkeitsbades notwendige Energie im wesentlichen aus der Energie des dem Flüssigkeitsbad entweichenden Abdampfes, der im Wärmeko'ntakt mit dem Verdampfer steht, bei gleichzeitiger Abkühlung des Abdampfes gewonnen,

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*^r . c) in der Ruhephase erfolgt die Abkühlung des Abdampfes.

durch Energieabgabe mittels des weiteren Wärmetauschers ^/ an ein Medium großer Wärmekapazität oder einen Energie- ^; verbraucher
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Arbeitsphase zusätzlich aufgenommene Wärmeenergie mittels des weiteren Wärmetauschers an ein Medium großer Wärmekapazität oder einen^Energieverbraucher abgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Wärmepumpenkaskade mit zwei Stufen.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Wärmetauscher in der Niedertemperaturstufe liegt.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Wärmetauscher in der Hochtemperaturstufe liegt.
6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ruhephase die Hochtemperaturstufe abgeschaltet ist.
7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl des Verdichters der Hochtemperaturstufe regelbar ist.
8. Wärmepumpeneinrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 7, mit in Kaskadenform hintereinandergeschaltetem Nieder- und Hochtemperaturkreis, die jeweils einen Verdichter (1, 2), einen Verdampfer (4, 5),~einen Verflüssiger (3, 4) und

ein Expansionsventil (6, 7) aufweisen, wobei der Verdampfer des Hochtemperaturkreises im Wärmeaustauschkontakt mit dem

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Verflüssiger des Niedertemperaturkreises steht, und bei der ^in wenigsten einem Kreis zwischen Verflüssiger (4, 3) und Expansationsventil (6, 7) ein weiterer Wärmetauscher (8. 9) geschaltet ist»„dadurch-gekennzeichnet, daß der Verflüssiger (3) des Hochtemperaturkreises in Wärmekontakt mit einem Flüssigkeitsbad., der Verdampfer (5) des Niedertemperaturkreises im Wärmekontakt mit-dem Abdampf des Flüssigkeitsbades und der weitere Wärmetauscher (8, 9) in Wärmekontakt mit einem Medium—großer— Wärmekapazität oder einem weiteren Verbraucher steht.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich der weitere Wärmetauscher (9) in der Niedertemperaturstufe befindet.
10. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich der weitere Wärmetauscher (8) in der Hochtemperaturstufe befindet.
11. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Wärmetauscher (8, 9) abschaltbar ist.
12. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß

der weitere dem Verdampfer (4, 5) vorgeschaltete Wärmetauscher (8, 9) überbrückbar ist.
13. Einrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschaltung oder Unterbrechung mittels Magnetventilen erfolgt.
14. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter (1, 2) ein Vielzellenverdichter ist.
15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl des Verdichters in Abhängigkeit vom Energiebedarf regelbar ist.

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