DE60111448T2

DE60111448T2 - Warmwasserbereitstellungsvorrichtung mit Wärmepumpenkreislauf

Info

Publication number: DE60111448T2
Application number: DE60111448T
Authority: DE
Inventors: Shinya Kariya-city Noro; Hisayoshi Kariya-city Sakakibara; Tomoaki Chiyoda-ku Kobayakawa; Kazutoshi Chiyoda-ku Kusakari; Michiyuki Chiyoda-ku Saikawa
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry; Tokyo Electric Power Co Inc; Denso Corp
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry; Denso Corp; Tokyo Electric Power Company Holdings Inc
Priority date: 2000-04-19
Filing date: 2001-04-18
Publication date: 2006-05-18
Anticipated expiration: 2021-04-19
Also published as: EP1148306B1; US20010045102A1; US6508073B2; EP1148306A3; JP2001304701A; EP1148306A2; DE60111448D1

Description

1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Heißwasser-Liefersystem mit einem Wärmepumpenkreis, in welchem Heißwasser, welches durch den Wärmepumpenkreis erhitzt wurde, in einem Wasserbehälter zur Verwendung gespeichert wird.
2. Beschreibung verwandter Technik
US-A-5 419 155 beschreibt ein Heißwasser-Liefersystem umfassend einen Wärmepumpenkreis, enthaltend einen Kompressor zum Komprimieren und Abgeben von Kältemittel, einen Ölabscheider, welcher an einer Kältemittelabgabeseite des Kompressors angeordnet ist, einen Ölkühler, der zum Kühlen von Öl angeordnet ist, welches in dem Ölabscheider abgeschieden wird und aus diesem herausströmt, und einen Ölrückführdurchtritt, durch welchen Öl, das durch den Ölkühler gekühlt wurde, zu dem Kompressor zurückgeführt wird.
In einem herkömmlichen Wärmepumpenkreis, welcher für ein Heißwasser-Liefersystem verwendet werden soll, wird, da ein Öl zum Schmieren eines gleitenden Abschnitts eines Kompressors abgedichtet ist, das Öl mit dem Kältemittel gemischt, welches in dem Wärmepumpenkreis zirkuliert, und ein Kreiswirkungsgrad wird infolge des Öls gesenkt. Um dieses Problem zu überwinden, kann ein Ölabscheider zum Abscheiden von Öl von Kältemittel an einer Kältemittelabgabeseite des Kompressors angeordnet werden, so dass von Kältemittel in dem Ölabscheider abgeschiedenes Öl zu dem Kompressor zurückgeführt wird. Da jedoch das aus dem Kältemittel in dem Ölabscheider abgeschiedene Öl eine hohe Temperatur aufweist, wird Niedrigtemperatur-Gaskältemittel, welches in den Kompressor eingesaugt wird, erhitzt, wenn das Hochtemperaturöl zu dem Kompressor zurückgeleitet wird.
Genauer wird in einem superkritischen (transkritischen) Wärmepumpenkreis, in welchem ein Kältemitteldruck, der von dem Kompressor abgegeben wird, höher als der kritische Druck von Kältemittel wird, eine große Menge von Öl benötigt, wenn dies mit einem allgemeinen Kältemittelkreis verglichen wird, der Flon als Kältemittel verwendet. Demgemäß beeinflusst die Wärme von Öl den superkritischen Wärmepumpenkreis erheblich.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Mit Blick auf die vorstehenden Probleme ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Heißwasser-Liefersystem mit einem Wärmepumpenkreis bereitzustellen, welcher den Kreiswirkungsgrad verbessern kann.
Diese Aufgabe wird durch das Heißwasser-Liefersystem gemäß Anspruch 1 gelöst.
Gemäß der vorliegenden Erfindung enthält in einem Heißwasser-Liefersystem ein Wärmepumpenkreis einen Ölabscheider, der an einer Kältemittelabgabeseite eines Kompressors angeordnet ist, zum Abscheiden von Öl und Kältemittel voneinander, welche aus dem Kompressor abgegeben werden, und einen Wärmetauscher, welcher angeordnet ist, um einen Wärmetausch zwischen Öl, welches in dem Ölabscheider abgeschieden wurde und aus diesem ausströmt, und Wasser aus einem Behälter zum Aufbewahren von erhitztem Wasser, durchzuführen. Ferner kehrt von Kältemittel in dem Ölabscheider abgeschiedenes Öl zu dem Kompressor zurück, nachdem dieses durch den Wärmetauscher hindurch getreten ist. Deshalb wird Wasser in dem Wärmetauscher durch Hochtemperaturöl aus dem Ölabscheider erhitzt, und zu dem Kompressor zurückkehrendes Öl wird durch Wasser in dem Wärmetauscher gekühlt. Demgemäß kann Wärme von Öl effektiv zum Heizen von Wasser verwendet werden, und ein Kreiswirkungsgrad des Wärmepumpenkreises kann erhöht werden.
Ferner ist die Strömungsrichtung von Öl einer Strömungsrichtung von Wasser in dem Wärmetauscher entgegengesetzt. Der Wärmeaustauschwirkungsgrad zwischen Öl und Wasser kann deshalb in dem Wärmetauscher verbessert werden, und Öl kann effektiv wiedergewonnen werden.
Der Wärmetauscher enthält vorzugsweise den ersten Wärme tauschenden Abschnitt und den zweiten Wärme tauschenden Abschnitt, welche integral ausgebildet sind, um einen Kältemitteldurchtritt aufzuweisen, durch welchen Kältemittel strömt, einen Öldurchtritt, durch welchen Öl strömt, und einen Wasserdurchtritt, durch welchen Wasser strömt. Ferner ist der Wasserdurchtritt zwischen dem Kältemitteldurchtritt und dem Öldurchtritt vorgesehen. Demgemäß kann Wasser effektiv mit Kältemittel und Öl einem Wärmetausch jeweils unterzogen werden, und Wärme von Kältemittel und Öl kann effektiv zum Heizen von Wasser verwendet werden.
Wenn ein hochdruckseitiger Kältemitteldruck gleich oder größer dem kritischen Druck von Kältemittel in dem Wärmepumpenkreis ist, wird eine in dem Wärmepumpenkreis abgedichtete Ölmenge größer. Selbst in diesem Fall kann, da die Wärme von Öl effektiv in dem Wärmetauscher wiedergewonnen werden kann, ein Wärmeverlust verhindert werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Zusätzliche Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen leichter ersichtlich, wenn diese zusammen mit den begleitenden Zeichnungen betrachtet wird, in welchen:
1 ein schematisches Diagramm ist, welches ein Heißwasser-Liefersystem mit einem Wärmepumpenkreis gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ein Graph (T-H-Diagramm) ist, welches ein Verhältnis zwischen Temperatur und Enthalpie in einem superkritischen Wärmepumpenkreis gemäß der Ausführungsform zeigt; und
3A eine Draufsicht ist, welche einen Wasserwärmetauscher zeigt, und 3B eine Querschnittsansicht ist, welche entlang der Linie IIIB-IIIB in 3A genommen ist, jeweils in Übereinstimmung mit der Ausführungsform.
GENAUE BESCHREIBUNG DER DERZEIT BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
Wie in 1 gezeigt, enthält ein Wärmepumpenwasser-Liefersystem 1 einen Behälter 2, in welchem erhitztes Heißwasser aufbewahrt wird, eine elektrische Pumpe 3, welche zwangsweise Wasser in einem Wasserkreislauf zirkuliert, und einen superkritischen Wärmepumpenkreis 4, welcher angeordnet ist, um Wasser in dem Wasserkreis zu erhitzen. Heißwasser in dem Behälter 2 wird einem Benutzer geliefert, nachdem dieses hinsichtlich seiner Temperatur eingestellt wurde.
Der Behälter 2 ist aus einem Metall mit Korrosionsbeständigkeit, wie rostfreiem Stahl, hergestellt und weist einen Wärmeisolieraufbau auf, so dass Hochtemperaturheißwasser für eine lange Zeit gespeichert werden kann. In dem Behälter 2 aufbewahrtes bzw. gespeichertes Heißwasser kann einer Küche, einem Badezimmer oder dergleichen zugeführt werden, und kann als Wärmequelle für eine Fußbodenheizung oder eine Raumheizung oder dergleichen verwendet werden.
Die elektrische Pumpe 3, der Behälter 2 und ein Wasserwärmetauscher 8 des Wärmepumpenkreises 4 sind durch eine Wasserleitung 5 miteinander verbunden, um den Wasserkreis zu bilden. Wasser zirkuliert deshalb zwischen dem Behälter 2 und einem Wasserwärmetauscher 3 (erster Wärmetauscher), und eine Wasserzirkulationsmenge in dem Wasserkreis kann in Übereinstimmung mit einer Drehzahl eines Motors eingestellt werden, welcher in der elektrischen Pumpe 3 angeordnet ist.
Der superkritische Wärmepumpenkreis 4 verwendet beispielsweise Kohlendioxid als Kältemittel, so dass der hochdruckseitige Kältemitteldruck gleich oder größer dem kritischen Druck von Kohlendioxid wird. Wie in 1 gezeigt, enthält der Wärmepumpenkreis 4 einen Kompressor 6, einen Ölabscheider 7, den Wasserwärmetauscher 8, ein Expansionsventil 9, einen Luftwärmetauscher 10 (zweiter Wärmetauscher) und einen Sammler 11. Ein Ölrückführdurchtritt 12 ist derart vorgesehen, dass nur Öl, welches von Kältemittel in dem Ölabscheider 7 abgeschieden wurde, zu dem Kompressor 6 zurückkehrt.
Der Kompressor 6 wird beispielsweise durch einen Elektromotor angetrieben und komprimiert angesaugtes gasförmiges Kältemittel, so dass von dem Kompressor 6 abgegebenes Kältemittel den Druck aufweist, welcher gleich oder größer dem kritischen Druck von Kältemittel ist. Der Ölabscheider 7 ist zwischen dem Kompressor 6 und dem Wasserwärmetauscher 8 in dem Wärmepumpenkreis 4 angeordnet, so dass Kältemittel und Öl, welches von dem Kompressor 6 abgegeben wird, voneinander in dem Ölabscheider 7 abgeschieden werden.
Der Wasserwärmetauscher 8 weist einen ersten Wärme tauschenden Abschnitt 8A auf, in welchem Hochtemperatur-Hochdruckgaskältemittel von dem Ölabscheider 7 mit dem Wasser aus dem Behälter 2 einem Wärmetausch unterzogen wird, und einen zweiten Wärme tauschenden Abschnitt 8B, in welchem Hochtemperaturöl aus dem Ölabscheider 7 mit Wasser aus dem Tank 2 einem Wärmetausch unterzogen wird. Wie in 3B gezeigt, weist der Wärmetauscher 8 darin einen Wasserdurchtritt 8c auf, welcher zwischen einem Kältemitteldurchtritt 8a und einem Öldurchtritt 8b vorgesehen ist. In dem Wasserwärmetauscher 8 ist eine Strömungsrichtung von Wasser in dem Wasserdurchtritt 8c einer Strömungsrich tung von Kältemittel in dem Kältemitteldurchtritt 8a und einer Strömungsrichtung von Öl in dem Öldurchtritt 8b entgegengesetzt gewählt.
Das Expansionsventil 9 ist derart aufgebaut, dass ein Ventilöffnungsgrad elektrisch eingestellt werden kann. Das Expansionsventil 9 ist an einer stromabwärtigen Seite des Wasserwärmetauschers 8 in einer Kältemittelströmungsrichtung angeordnet und dekomprimiert Kältemittel, welches in dem Wasserwärmetauscher 8 gekühlt wurde. Ein Lüfter 13 zum Blasen von Luft zu dem Luftwärmetauscher 10 ist derart angeordnet, dass in dem Expansionsventil 9 dekomprimiertes Kältemittel in dem Luftwärmetauscher 10 einem Wärmetausch mit Luft unterzogen wird. Das Kältemittel wird daher in dem Luftwärmetauscher 10 durch Absorption von Wärme aus Luft (d.h. Außenluft) verdampft.
Kältemittel aus dem Luftwärmetauscher 10 strömt in den Sammler 11 und wird in gasförmiges Kältemittel und flüssiges Kältemittel in dem Sammler 11 abgeschieden. Nur abgeschiedenes gasförmiges Kältemittel in dem Sammler 11 wird in den Kompressor 6 angesaugt und überflüssiges Kältemittel in dem Wärmepumpenkreis 4 wird in dem Sammler 11 aufbewahrt.
Andererseits ist eine stromaufwärtige Seite des Öldurchtritts 8b des Wasserwärmetauschers 8 an dem Ölabscheider 7 angeschlossen, und eine stromabwärtige Seite des Öldurchtritts 8b des Wasserwärmetauschers 8 ist an den Kompressor 6 durch den Ölrückführdurchtritt 12 angeschlossen. Deshalb kann in dem Ölabscheider 7 abgeschiedenes und wieder gewonnenes Öl zu dem Kompressor 6 zurückgeführt werden, nachdem dieses durch den Öldurchtritt 8b des Wasserwärmetauschers 8 hindurch getreten ist. Ein Strömungseinstellelement 14, wie ein Ventil und eine Drossel ist in dem Ölrückführdurchtritt 12 angeordnet, um eine Strömungsmenge von in den Kompressor 6 zurückkehrendem Öl einzustellen. Der Kompressor 6 arbeitet daher normalerweise mit einer zweckmäßigen Menge von Öl.
Als nächstes wird der Betrieb des Wärmepumpenkreises 4 gemäß dieser Ausführungsform nachfolgend beschrieben. Hochtemperatur-Hochdruckkältemittel, welches in dem Kompressor 6 komprimiert wird, wird durch Niedrigtemperaturwasser in dem Wasserwärmetauscher 8 gekühlt, nachdem Öl in dem Ölabscheider 7 entfernt wurde. Niedrigtemperatur-Hochdruckkältemittel, welches aus dem Wasserwärmetauscher 8 abgegeben wird, wird in dem Expansionsventil 9 dekomprimiert. Anschließend wird Kältemittel in dem Luftwärmetauscher 10 durch Absorption von Wärme aus Luft verdampft und wird in den Kompressor 6 gesaugt, nachdem es durch den Sammler 11 hindurch getreten ist.
Andererseits kehrt aus dem Kältemittel in dem Ölabscheider 7 abgeschiedenes Öl zu dem Kompressor 6 durch den Ölrückführdurchtritt 12 zurück, nachdem dieses mit Niedrigtemperaturwasser in dem Wasserwärmetauscher 8 einem Wärmetausch unterzogen wurde. Die Temperatur von zu dem Kompressor 6 zurückgeführtem Öl kann daher hinreichend abgekühlt werden.
2 zeigt ein Verhältnis zwischen Temperatur und Enthalpie. In 2 bezeichnet Tr die Temperatur von aus dem Wasserwärmetauscher 8 herausströmendem Kältemittel, Td bezeichnet die Temperatur von von dem Kompressor 6 abgegebenem Kältemittel, Tw bezeichnet die Temperatur von in den Wasserwärmetauscher 8 einströmendem Wasser, und Twout bezeichnet die Temperatur von aus dem Wasserwärmetauscher 8 ausströmendem Wasser.
Gemäß der Ausführungsform wird die Wärmemenge (d.h. die Enthalpie-Differenz ΔH in 2) von aus dem Ölabscheider 7 des Kompressors 6 ausströmendem Öl zum Heizen von Niedrigtemperaturwasser in dem Wasserwärmetauscher 8 verwendet. Deshalb kann ein Wärmeverlust in dem Wärmepumpenkreis geringer gemacht werden und die Effizienz des Wärmepumpenkreises 4 wird verbessert. Als ein Ergebnis kann, wie in 2 gezeigt, eine Gesamtwärmeabstrahlungsmenge in dem Wasserwärmetauscher 8 um die Wärmemenge ΔH (Q → Q') unter Verwendung der Wärme von Öl vergrößert werden, und eine große Heizkapazität von Wasser kann erhalten werden, während die verbrauchte Leistung kleiner gemacht werden kann.
Obwohl die vorliegende Erfindung vollständig in Verbindung mit der bevorzugten Ausführungsform derselben unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben wurde, ist zu bemerken, dass vielfältige Änderungen und Modifikationen für Fachleute ersichtlich sein werden.
Beispielsweise wird in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der superkritische Wärmepumpenkreis 4 als Heizmittel für das Erwärmen von Wasser verwendet. Jedoch kann selbst dann, wenn ein allgemeiner Wärmepumpenkreis, in welchem der hochdruckseitige Kältemitteldruck niedriger als der kritische Druck von Kältemittel ist, als das Heizmittel zum Heizen von Wasser verwendet wird, die Wärme von Öl wiedergewonnen werden.
Solche Änderungen und Modifikationen sind dahingehend zu verstehen, dass diese innerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung liegen, wie sie durch die anliegenden Ansprüche definiert ist.

Claims

Heisswasserliefersystem (1) umfassend: einen Wärmepumpenkreis (4), in welchem Kältemittel zirkuliert; und einen Behälter (2), in welchem durch einen Wärmetausch mit Hochtemperatur-Kältemittel des Wärmepumpenkreises erhitztes Wasser gespeichert wird, wobei der Wärmepumpenkreis enthält einen Kompressor (6) zum Komprimieren und Abgeben von Kältemittel, einen Ölabscheider (7), welcher an einer Kältemittelabgabeseite des Kompressors angeordnet ist, zum Abscheiden von Öl und Kältemittel voneinander, welche von dem Kompressor abgegeben werden, einen Wärmetauscher (8), welcher zum Ausführen eines Wärmetausches zwischen Öl, welches in dem Ölabscheider abgeschieden wurde und von diesem strömt, und Wasser aus dem Tank angeordnet ist, und einen Öl-Rücklaufdurchtritt (12), durch welchen in dem Ölabscheider von dem Kältemittel abgeschiedenes Öl zu dem Kompressor zurückkehrt, nachdem dieses durch den Wärmetauscher durchgetreten ist, wobei der Wärmetauscher einen ersten wärmetauschenden Abschnitt (8A) enthält, in welchem das Hochtemperatur-Kältemittel von dem Ölabscheider und Wasser von dem Tank einem Wärmetausch unterzogen werden, und einen zweiten wärmetauschenden Abschnitt (8B) enthält, in welchem Öl von dem Ölabscheider und Wasser von dem Tank einem Wärmetausch unterzogen werden; und wobei der Wärmetauscher derart aufgebaut ist, dass eine Strömungsrichtung von Öl einer Strömungsrichtung von Wasser in dem Wärmetauscher entgegengesetzt ist.
Heisswasserliefersystem gemäss Anspruch 1, wobei: der erste wärmetauschende Abschnitt und der zweite wärmetauschende Abschnitt integral dahingehend ausgebildet sind, einen Kältemitteldurchtritt (8a), durch welchen Kältemittel strömt, einen Öldurchtritt (8b), durch welchen Öl strömt und einen Wasserdurchtritt (8c) aufzuweisen, durch welchen Wasser strömt; und der Wasserdurchtritt zwischen dem Kältemitteldurchtritt und dem Öldurchtritt vorgesehen ist.
Heisswasserliefersystem gemäss Anspruch 1, wobei eine Strömungsrichtung von Kältemittel in dem Kältemitteldurchtritt der Strömungsrichtung von Wasser in dem Wasserdurchtritt entgegengesetzt ist.
Heisswasserliefersystem gemäss Anspruch 1, wobei der Wärmepumpenkreis ein Strömungseinstellelement (14) enthält, welches in dem Ölrücklaufdurchtritt angeordnet ist, um eine Strömungsmenge von in den Kompressor zurückkehrendem Öl einzustellen.
Heisswasserliefersystem, gemäss irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Kältemitteldruck, welcher von den Kompressor abgegeben wird, grösser oder gleich einem kritischen Druck von Kältemittel ist.
Heisswasserliefersystem gemäss Anspruch 5, wobei Kältemittel in dem Wärmepumpenkreis Kohlendioxid ist.
Heisswasserliefersystem gemäss Anspruch 1, desweiteren umfassend: eine Dekomprimierungseinheit (9) zum Dekomprimieren von Kältemittel von dem Kältemitteldurchtitt (8a) des Wärmetauschers (8); und einen Verdampfer (10), in welchen das Kältemittel von der Dekomprimierungseinheit durch Ausführen eines Wärmetausches mit Luft verdampft wird.