EP0072543A2 - Anordnung zur Verbesserung der Leistung insbesondere von Wärmepumpenanlagen und dergl. - Google Patents

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EP0072543A2 EP82107354A EP82107354A EP0072543A2 EP 0072543 A2 EP0072543 A2 EP 0072543A2 EP 82107354 A EP82107354 A EP 82107354A EP 82107354 A EP82107354 A EP 82107354A EP 0072543 A2 EP0072543 A2 EP 0072543A2
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    • F25B30/00—Heat pumps
    • F25B30/06—Heat pumps characterised by the source of low potential heat

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for improving the performance of heat pump systems and the like. It relates in particular to the condenser-refrigerant collector-evaporator combination of such a system.
  • the present invention is intended to avoid the disadvantages of the known systems and, in particular, to solve the problem of a condenser-refrigerant collector-evaporator.
  • To create a combination in which not only a special separate intermediate heat exchanger is saved, but in which the individual elements of the combination are also accommodated in the smallest area and are designed and arranged in such a way that an optimal utilization of the offered temperatures and energy is made possible.
  • the volume should be so small that the product of volume and pressure is less than 200 at maximum temperature conditions with an output of up to 25 KW and the system or combination is therefore not subject to supervision.
  • the defoaming device can be designed as a wire grid upstream of the heat exchanger in the flow direction of the refrigerant or refrigerant vapor.
  • the defoaming device and the heat exchanger can also be connected to form a unit in such a way that the heat exchanger is provided with high-finned copper pipes. It has proven to be expedient to remove the refrigerant vapor from the evaporation space of the evaporator at low speeds ability to make over the edge of a funnel.
  • a stepped heat exchanger package with a heat exchanger for the condensation of the refrigerant and a heat exchanger for the superheating of the refrigerant should be provided in the condensation area of the condenser-refrigerant collector-evaporator combination. This means that, before the condensation, the temperature of the refrigerant superheat is reduced, which is high as a result of the strong superheat on the suction gas side and leads to an increase in the temperature of the heating medium above the condensation temperature.
  • the refrigerant collector of the condenser-refrigerant collector-evaporator combination should be provided with a heat exchanger which is connected upstream of the heat exchangers in the condenser area on the heating medium side.
  • the resulting cooling of the refrigerant condensate leads to an increase in the performance of the heat pump system.
  • a heat pump with 40 a heat utilization system, for. B. a heating system with a radiator 42 and with 50 a heat source system, for. B. marked an earth collector 52.
  • the heating medium is circulated by a heating medium circulation pump 41 and that of the heat transfer medium by a heat transfer medium pump 52.
  • the heat pump 10 now essentially consists of the condenser 11, the refrigerant collector 14 and the evaporator 16 with the various heat exchangers, as well as the refrigerant compressor 19, the expansion valve 20 and the various supply and discharge lines.
  • the evaporator 17 there are the heat exchanger 17 through which the heat transfer fluid does not flow, and in the boiling range of the evaporator the one through which the refrigerant concentrate flows Heat exchanger 18 is arranged, through which the refrigerant vapor overheats before entering the compressor 19, that is, is dried, so that no liquid refrigerant can get into the compressor and cause damage to it.
  • two series-connected heat exchangers 12 and 13 are mounted in the condenser 11.
  • the heat exchanger 13 first causes the superheated refrigerant vapor emerging from the compressor 19 to be heated, and the heat exchanger 12 then condenses the refrigerant while releasing its remaining heat to the heating system.
  • a further heat exchanger 15 is attached in the refrigerant collector 14, by means of which the refrigerant condensate is heated, which leads to an increase in the performance of the heat pump.
  • Fig. 3 the condenser-refrigerant collector-evaporator combination is shown in more detail.
  • the evaporator 16 the main heat exchanger 17 of which consists of a package of individual elements, all of which are connected in parallel via a distributor pipe 29 for the heat carrier flowing to the evaporator and a header pipe 30 with the heat carrier medium outlet 31.
  • the heat exchanger 18 for the superheating of the refrigerant vapor is again attached, which can also serve as a defoaming device with the high-finned tubes 37 shown in FIG. 4, the foam dissolving at the tips of the narrow ribs of the tube 37.
  • the refrigerant vapor exits via the edge of a centrally arranged suction funnel 32 and the dry gas outlet 33 from the evaporator into the line to the compressor 19.
  • the highly overheated refrigerant vapor is conducted from the compressor via an impact distributor 34 into the condenser.
  • he first meets the heat exchanger 13, by means of which the superheating is reduced from the refrigerant vapor, and then the heat exchanger 12, by means of which the refrigerant is condensed.
  • the condensate is then transferred via line 26 to the refrigerant collector and from there via line 27 to the heat exchanger 18 in the evaporator, from where the condensate via line 28 to the expansion valve 20 and then got to the vaporizer.
  • the heat exchangers 12 and 13 are connected in series in the condenser 11 and that the heat exchanger 15 in the refrigerant collector 14 is connected upstream of this in the heating medium circulation.
  • the heating medium thus reaches the individual elements of the heat exchanger 15 via the distributor pipe 22 for returning heating medium.
  • the heating medium is then guided through the collector or distributor pipe 23 to the separating bottom 21 into the heat exchanger elements of the heat exchanger 12, then from the collector or Manifold pipe 24 is directed to the upper heat exchanger 13 and from there above the separating tray 21 via the heating medium outlet 25 into the heat utilization system 40.

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Abstract

Die Erfindung betritft eine Anordnung zur Verbesserung der Leistung von Wärmepumpenanlagen und dergl. und bezieht sich insbesondere auf die Kondensator-Kältemittelsammler-Verdampfer-Kombination einer derartigen Anlage, bei der nicht nur ein besonderer Zwischenwärmetauscher eingespart werden soll, sondern bei der die einzelnen Elemente der Kombination auch auf kleinster Fläche untergebracht und so ausgebildet und angeordnet sein sollen, daß eine optimale Ausnutzung der angebotenen Temperaturen und der Energie ermöglicht wird. Dabei soll das Volumen so gering sein, daß bei maximalen Temperaturverhältnissen bei einer Leistung bis 25 KW das Produkt aus Volumen und Druck unter 200 liegt. Erfindungsgemäß soll dazu bei einer Kondensator-Kältemittelsammler-Verdampfer-Kombination im Siedebereich des überfluteten Verdampfers (16) eine Entschäumungsvorrichtung sowie ein von warmem Kältemittelkondensat beaufschlagter Wärmetauscher (18) zur Überhitzung des Kältemitteldampfes vor der Zuführung zum Verdichter (19) angeordnet sein.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Verbesserung der Leistung von Wärmepumpenanlagen und dergl. und bezieht sich insbesondere auf die Kondensator-Kältemittelsammler-Verdampfer-Kombination einer derartigen Anlage.
  • Die Bedingungen, die an eine solche Kombination oder Anlage gestellt werden, nämlich vor allem eine optimale Ausnutzung der angebotenen Energie bei minimaler Temperaturdifferenz, geringe räumliche Ausdehnung und Reduzierung der Anschlüsse bei der Montage auf ein Minimum, werden bei den bisher bekannten Anlagen nur unvollkommen erfüllt.
  • Insbesondere im Verdampferteil wird die zu erwartende Leistung durch die Schaumbildung im Siedebereich bei der Verdampfung stark beeinträchtigt. Um die Gesamtleistung zu verbessern, werden bei den bekannten Wärmepumpenanlagen schon besondere Zwischenwärmetauscher vorgesehen, durch die eine Überhitzung des Kältemitteldampfes vor dem Eintritt in den Verdichter erfolgt. Abgesehen davon, daß der Bau- und Montageaufwand für diese Zwischenwärmetauscher erheblich ist, werden bisher keine sinnvollen Konsequenzen aus dieser Oberhitzung des Kältemitteldampfes gezogen, so daß die Leistungsverbesserung durch diese Maßnahme in sehr engen Grenzen bleibt.
  • Durch die vorliegende Erfindung sollen die Nachteile der bekannten Anlagen vermieden und insbesondere die Aufgabe gelöst werden, eine Kondensator-Kältemittelsammler-Verdampfer-Kombination zu schaffen, bei der nicht nur ein besonderer getrennter Zwischenwärmetauscher eingespart wird, sondern bei der die einzelnen Elemente der Kombination auch auf kleinster Fläche untergebracht und so ausgebildet und angeordnet sind, daß eine optimale Ausnutzung der angebotenen Temperaturen und Energie ermöglicht wird. Dabei soll das Volumen so gering sein, daß bei maximalen Temperaturverhältnissen bei einer Leistung bis 25 KW das Produkt aus Volumen und Druck unter 200 liegt und die Anlage oder Kombination damit nicht der Aufsichtspflicht unterliegt.
  • Zur Lösung dieser komplexen Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, im Siedebereich des überfluteten Verdampfers einer Kondensator-Kältemittelsammler-Verdampfer-Kombination eine Entschäumungsvorrichtung sowie einen von warmem Kältemittelkondensat beaufschlagten Wärmetauscher zur Oberhitzung des Kältemitteldampfes vor der Zuführung zum Verdichter anzuordnen. Dabei kann die Entschäumungsvorrichtung als in Strömungsrichtung des Kältemittels bzw. Kältemitteldampfes dem Wärmetauscher vorgeschaltetes Drahtgitter ausgebildet sein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können aber auch die Entschäumungsvorrichtung und der Wärmetauscher in der Weise zu einer Einheit verbunden sein, daß der Wärmetauscher mit hoch- berippten Kupferrohren versehen ist. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, die Entnahme des Kältemitteldampres aus dem Verdampfungsraum des Verdampfers bei niedrigen Geschwindigkeit über den Rand eines Trichters vorzunehmen.
  • Durch das Brechen der Siedeschaumkrone im Bereich des überfluteten Verdampfers an einem Wärmetascher ohne nennenswerten latenten Wärmeübergang und der Oberleitung des Sauggases d. h. des Kältemitteldampfes durch Kältemittelkondensat, erfolgt eine Spreizung der Enthalpiepunkte zwischen Siedebeginn - und Kompressorausgangspunkt auf der Siedelinie gleichen Drukkes und letztlich eine Leistungssteigerung im Kondensatorbereich. Das Brechen der Siedeschaumkrone und die gezielte, zentrische Sauggasentnahme aus dem Verdampferraum bei niedriger Geschwindigkeit, beispielsweise über einen Trichterrand, führt zu einer spezifischen Leistungssteigerung bezogen auf den Flüssigkeitsspiegel, wodurch eine Verdoppelung des Leistungsvermögens gegenüber den bisher bekannten Anordnungen ermöglicht wird.
  • Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung soll im Kondensati- onsbereich der Kondensator-Kältemittelsammler-Verdampfer-Kombination ein gestuftes Wärmetauscherpaket mit einem Wärmeteuscher fUr die Kondensation des Kältemittels und einem Wärmetauscher fUr die Überhitzungsentwärmung des Kältemittels vorgesehen sein. Damit vor der Kondensation zunächst ein temperaturmäßiger Abbau der Kältemittelüberhitzung, die infolge der starken sauggas- seitigen Oberhitzung groß ist und zu einer Anhebung der Temperatur des Heizmittels über die Kondensationstemperatur führt. Weiterhin soll erfindungsgemäß der Kältemittelsammler der Kondensator-Kältemittelsammler-Verdampfer-Kombination mit einem Wärmetauscher versehen sein, der auf der Heizmittelseite den Wärmetauschern im Kondensatorbereich vorgeschaltet ist. Die hierdurch bedingte Entwärmung des Kältemittelkondensats führt zu einem Leistungsgewinn der Wärmepumpenanlage.
  • Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, den Kondensator, den Kältesammler und den Verdampfer in einem gemeinsamen Gehäuse in der Weise unterzubringen, daß der Verdampfer im unteren Teil des Gehäuses, der Kondensator im oberen Teil des Gehäuses und der Kältemittelsammler zwischen diesen liegt. Dadurch Ist es möglich, die Kombination auf kleinster Fläche und in kleinstem Bauvolumen unterzubringen. Wenn der Kältemittelsammler unmittelbar Uber dem Verdampfer angeordnet ist, dann soll die Anordnung so getroffen sein, daß der Boden des Sammlers gleichzeitig der Deckel des Verdampfers ist. Damit kann dieser Zwischenboden noch als Wärmetascherfläche ausgenutzt werden.
  • /en An Hand der beiliegenden Zeichnung soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel nachfolgend noch näher erläutert werden. Auf den Zeichnungen zeigen
    • Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung,
    • Fig. 2 die Darstellung der Zustandsänderung des Kältemittels im P-U-Diagramm bei einer Anordnung nach der Erfindung,
    • Fig. 3 eine andere schematische Darstellung, bei der die Kondensator-Kältemittelsammler-Verdampfer-Kombination in ihren wesentlichen Konstruktionsmerkmalen dargestellt ist und
    • Fig. 4 ein AusfUhrungsbeispiel für ein hochberipptes Wärmetauscherrohr.
  • In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • /durch Bei den strichpunktierte Linien in den Fig. 1 und 3 umgrenzten Bereichen ist mit 10 eine Wärmepumpe, mit 40 ein Wärmenutzungssystem, z. B. eine Heizungsanlage mit einem Heiz- körper 42 und mit 50 eine Wärmequellenanlage, z. B. ein Erdkollektor 52 gekennzeichnet. Die Umwälzung des Heizmittels erfolgt dabei durch eine Heizmittelumwälzpumpe 41 und die des Wärmeträgermittels durch eine Wärmeträgerumwälzpumpe 52.
  • Die Wärmepumpe 10 besteht nun im wesentlichen aus dem Kondensator 11, dem Kältemittelsammler 14 und dem Verdampfer 16 mit den verschiedenen Wärmetauschern, sowie dem Kältemittelkompressor 19, dem Expansionsventil 20 und den verschieden Zu-und Ableitungen.
  • Im Verdampfer 17 sind einmal der von der Wärmeträgerflüssigkeint durchflossene Wärmetauscher 17, sowie im Siedebereich des Verdampfers der vom Kältemittelkonzentrat durchflossene Wärmetauscher 18 angeordnet, durch den der Kältemitteldampf vor dem Eintritt in den Kompressor 19 überhitzt, also getrocknet wird, so daß in den Kompressor kein flüssiges Kältemittel gelangen und diesem Schaden zufügen kann.
  • Im Kondensator 11 sind bei dem dargestellten AusfUhrungsbeispiel zwei hintereinandergeschaltete Wärmetauscher 12 und 13 angebracht. Durch den Wärmetauscher 13 erfolgt dabei zunächst eine Enthitzung des aus dem Kompressor 19 austretenden stark überhitzten Kältemitteldampfes und durch den Wärmetauscher 12 wird dann die Kondensation des Kältemittels unter Abgabe seiner verbliebenen Wärme an das Heizsystem vorgenommen.
  • Im Kältemittelsammler 14 ist ein weiterer Wärmetauscher 15 angebracht, durch den das Kältemittelkondensat entwärmt wird, was zu einem Leistungsgewinn der Wärmepumpe führt.
  • In Fig. 2 ist der Kreisprozeß für die Zustandsänderung des Kältemittels im P-U-Diagramm dargestellt. Man erkennt, daß durch den Wärmetauscher 18, mit dem dem warmen Kältemittelkondensat durch kaltes Kältemittelgas Energie entzogen wird, der Kompressoransatzpunkt infolge zunehmender Gasüberhitzung bei annähernd gleichem Druck nach rechts verschoben wird. Dieser Vorgang führt zwar zu einer Verringerung der Kompres- sorfUllung aber auch zu einer Reduzierung seiner Antriebsleistung. Die überhitzung der aus dem Kompressor austretenden Gase ist ab-er desto höher und energiereicher. Damit erhöht sich die Leistungsfähigkeit des Kondensators.
  • In Fig. 3 Ist die Kondensator-Kältemittelsammler-Verdampfer-Kombination noch detaillierter dargestellt. Man erkennt in einem gemeinsamen Gehäuse 35 im unteren Teil den Verdampfer 16, dessen Hauptwärmetauscher 17 aus einem Paket von Einzelelementen besteht, die über ein Verteilerrohr 29 fUr den dem Verdampfer zulaufenden Wärmeträger und ein Sammelrohr 30 mit dem Wärmeträgermittelaustritt 31 alle parallel geschaltet sind. Im oberen Teil des Verdampfers ist wieder der Wärmetauscher 18 für die Oberhitzung des Kältemitteldampfes angebracht, der mit in Fig. 4 dargestellten hochberippten Rohren 37 gleichzeitig als Entschäumungsvorrichtung dienen kann, wobei der Schaum sich an den Spitzen der engen Rippen des Rohres 37 auflöst. Der KäTtemitteldampf tritt in dem dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung über den Rand eines zentral angeordneten Ansaugtrichters 32 und den Trockengasaustritt 33 aus dem Verdampfer aus in die Leitung zum Verdichter 19.
  • Vom Verdichter wird der stark überhitzte Kältemitteldampf über einen Prallverteiler 34 in den Kondensator geleitet. Hier trifft er zunächst auf den Wärmetauscher 13, durch den die Überhitzung aus dem Kältemitteldampf abgebaut wird und dann auf den Wärmetauscher 12, durch den das Kältemittel kondensiert wird. Das Kondensat wird dann über die Leitung 26 in den Kältemittelsammler überführt und von dort über die Leitung 27 zum Wärmetauscher 18 im Verdampfer, von wo das Kondensat über die Leitung 28 zum Expansionsventil 20 und dann zum Verdampfer gelangt.
  • Man erkennt, daß die Wärmetauscher 12 und 13 im Kondensator 11 hintereinandergeschaltet sind und daß der Wärmetauscher 15 im Kältemittelsammler 14 diesem im Heizmittelumlauf noch vorgeschaltet ist. Das Heizmittel gelangt also über das Verteilerrohr 22 für rücklaufendes Heizmittel in Parallelführung in die einzelnen Elemente des Wäremtauschers 15. Durch das Sammel- bzw. Verteilerrohr 23 wird das Heizmittel dann bis zum Trennboden 21 in die Wärmetauscherelemente des Wärmetauschers 12 geführt, dann vom Sammel- bzw. Verteilerrohr 24 zum oberen Wärmetauscher 13 und von dort oberhalb des Trennbodens 21 über den Heizmittelaustritt 25 in das Wärmenutzungssystem 40 geleitet.
  • Zwischen dem Verdampfer 16 und dem Kältemittelsammler 14 befindet sich im dargestellten Beispiel der erfindungsgemäßen Anordnung ein gemeinsamer Boden bzw. Deckel 36, der für sich wieder die Funktion eines Wärmetauschers ausübt.

Claims (8)

1. Anordnung zur Verbesserung der Leistung insbes. von Wärmepumpenanlagen und dergl. gekennzeichnet, durch eine /mittel Kondensator - Kältesammler - Verdampfer - Kombination, bei der im Siedebereich des überfluteten Verdampfers (16) eine Entschäumungsvorrichtung sowie ein von warmem Kältemittelkondensat beaufschlagter Wärmetauscher (18) zur Oberhitzung des Kältemitteldampfes vor der Zuführung zum Verdichter (19) angeordnet sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entschäumungsvorrichtung als in Strömungsrichtung des Kältemittels bzw. Kältemitteldampfes dem Wärmetauscher (18) vorgeschaltetes feines Drahtgitter ausgebildet ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entschäumungsvorrichtung und der Wärmetauscher (18) in der Weise zu einer Einheit verbunden sind, daß der Wärmetauscher mit hochberippten Kupferrohren (37) versehen ist.
4.. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Entnahme des Kältemitteldampfes aus dem Verdampfungsraum des Verdampfers (16) bei niedriger Geschwindigkeit über den Rand eines Trichters (32) erfolgt.
5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Kondensationsbereich der Kondensator - Kältemittel - sammler - Verdampfer - Kombination ein gestuftes Wärmetauscherpaket mit einem Wärmetauscher (12) für die Kondensation des Kältemittels und einem Wärmetauscher (13) für die überhitzungsentwärmung des Kältemittels vorgesehen ist.
6. Anordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kältemittelsammler (14) der Kondensator - Kältemittelsammler - Verdampfer - Kombination mit einem Wärmetauscher (15) versehen ist, der auf der Heizmittelseite den Wärmetauschern (12, 13) im Kondensatorbereich vorgeschaltet ist.
7. Anordnung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (11), der Kältemittelsammler (14) und der Verdampfer (16) in einem gemeinsamen Gehäuse (35) in der Weise angebracht sind, daß der Verdampfer im unteren Teil des Gehäuses, der Kondensator im oberen Teil des Gehäuses und der Kältemittelsammler zwischen diesen liegt.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kältemittelsammler (14) unmittelbar über dem Verdampfer (16) unter Verwendung eines gemeinsamen Bodens bzw. Deckels (36) angeordnet ist.
EP82107354A 1981-08-14 1982-08-13 Anordnung zur Verbesserung der Leistung insbesondere von Wärmepumpenanlagen und dergl. Withdrawn EP0072543A3 (de)

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