EP0353410A2 - Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpenanlage - Google Patents

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EP0353410A2
EP0353410A2 EP89109332A EP89109332A EP0353410A2 EP 0353410 A2 EP0353410 A2 EP 0353410A2 EP 89109332 A EP89109332 A EP 89109332A EP 89109332 A EP89109332 A EP 89109332A EP 0353410 A2 EP0353410 A2 EP 0353410A2
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EP
European Patent Office
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heat transfer
transfer fluid
heat
water
evaporator
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EP89109332A
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Dirk Ohrt
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Rendamax BV
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B47/00—Arrangements for preventing or removing deposits or corrosion, not provided for in another subclass
    • F25B47/006—Arrangements for preventing or removing deposits or corrosion, not provided for in another subclass for preventing frost
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B30/00—Heat pumps
    • F25B30/06—Heat pumps characterised by the source of low potential heat

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a heat pump system, in which an evaporator of a refrigerant circuit is acted upon by a heat transfer fluid which is conducted in an open circuit and which in turn is warmed up via the ambient air.
  • the evaporator In heat pumps with ambient air as a waste heat source, the evaporator is usually the most expensive component due to the large surface area required.
  • the heat transfer coefficients which differ by several orders of magnitude on the refrigerant side on the one hand and on the air side on the other hand, must be compensated for by differently sized surfaces. Since, depending on the refrigerant used, corrosion problems often have to be taken into account when selecting the material, the evaporator must also be made from very expensive materials.
  • the heat exchange between air and heat transfer fluid can be carried out, for example, in a conventional cooling tower, in which the heat transfer fluid is evenly distributed over a packing installation and trickles down on the packing, while the air is sucked through the packing installation with the aid of a fan. Since the heat transfer fluid has cooled down after passing through the evaporator of the refrigerant circuit, a corresponding warming up now takes place through contact with the sucked-in air, so that the amounts of heat absorbed by the heat transfer fluid from the ambient air are in turn available to act on the evaporator of the refrigerant circuit.
  • water has been used as the heat transfer fluid, to which additives have been added, for example glycols, which lower the freezing point of the water, so that heat pump operation is possible, especially at the temperature levels of interest here, with outside temperatures around 0 ° C.
  • additives for example glycols, which lower the freezing point of the water, so that heat pump operation is possible, especially at the temperature levels of interest here, with outside temperatures around 0 ° C.
  • the disadvantage of the previously used heat transfer fluids is that due to the direct heat exchange between the air on the one hand and the heat transfer fluid emerging from the evaporator of the refrigerant circuit with temperatures below 0 ° C on the other hand, the air falls below the dew point and thus the moisture contained in the air condenses and condenses precipitates on the surface of the packing installation acted upon by the heat transfer fluid and is absorbed by the heat transfer fluid consisting of a glycol-water mixture.
  • the heat transfer fluid is diluted by the condensed water taken up and at the same time the amount of circulating heat transfer fluid is increased, so that the exchanger device for the heat exchange between air and heat transfer fluid freezes under unfavorable climatic conditions.
  • a regulation to keep the mixture concentration constant is complex and the continuous disposal of the heat transfer fluid diluted with water is costly.
  • the invention has for its object to provide an operating method with which the disadvantages described above are avoided.
  • a water-immiscible liquid is used as the heat transfer liquid. It is particularly expedient if, in an embodiment of the invention, the water-immiscible heat transfer fluid has a density that differs significantly from water. This has the advantage that the condensing in the area of the exchanger device Humidity is entrained by the heat transfer fluid, but is not absorbed by it. The water can then be separated from the heat transfer fluid in a simple manner. The separation of water and heat transfer fluid is particularly easy if the density differences between the water and the heat transfer fluid are clearly different.
  • the water can, for example, be drained directly into the sewage system if the separating device is configured accordingly, which can also be, for example, a simple sedimentation basin. You only have to take precautions to ensure that the separation is flawless.
  • an oil is used as the heat transfer fluid.
  • the heat transfer fluid is passed through a device for separating water before the evaporator is acted upon. This avoids, on the one hand, that the condensed water absorbed during the heat exchange of the heat transfer fluid is emulsified with the heat transfer fluid in the pump required for operating the circuit and then crystallized out in the evaporator of the refrigerant circuit as a result of cooling to temperatures below 0 ° C. and causing icing in this area.
  • An evaporator 2 is arranged on a heat pump system 1 of conventional design, through which the refrigerant of the heat pump system flows on the one hand and on the other hand a heat transfer fluid is applied to it.
  • the heat transfer fluid for example a heat transfer oil
  • the heat exchanger device 6 is constructed in the manner of a cooling tower which has a packing installation 7, onto which the heat transfer fluid is sprayed via the nozzles 5.
  • air is drawn through the packing 7 from the bottom up, so that the air comes into direct contact with the heat transfer fluid flowing down through the packing 7.
  • the heat transfer fluid is collected in a collecting container 9, from which it is drawn off with the aid of a pump 10 and pressed through the evaporator 2 of the heat pump system 1 via the pipe 3.
  • a droplet separator 11 of conventional design is arranged above the nozzles 5, by means of which droplets of the heat transfer fluid entrained by the air flow are intercepted.
  • the heat transfer fluid emerging from the evaporator 2 has been cooled by the heat given off to the refrigerant circulating in the heat pump system 1, for example to a temperature of -11 ° C. in the appropriate operating position.
  • the heat transfer fluid which has been cooled to this point is now fed to the packing installation 7, so that it is heated by direct contact with the ambient air, which has a temperature of + 5 ° C, for example.
  • the condensation water which is deposited on the heat transfer fluid is carried along with the heat transfer fluid into the collecting container 9.
  • the heat transfer fluid is not miscible with water, as is the case, for example, with a heat transfer oil, a settling process results in a perfect separation of the condensed water taken up, so that it is separated from the Collection container 9 can be withdrawn at appropriate intervals.

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Abstract

Bei Wärmepumpenanlagen (1), die aus der Umgebungsluft die Wärme aufnehmen, hat man die Wärmeübertragung von der Luft auf den Verdampfer (2) durch eine Wärmeträgerflüssigkeit bewirkt, die die Wärme aus der Luft in offenem Kontakt aufnimmt und dann an den Verdampfer (2) abgibt. Die Wärmeträgerflüssigkeit ist mit Wasser nicht mischbar und weist eine andere Dichte als Wasser auf, beispielsweise ein Öl. Das Kondenswasser kann in einer Beruhigungsstrecke, beispielsweise einem Absitzbecken, von der Wärmeträgerflüssigkeit leicht getrennt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpenanlage, bei der ein Verdampfer eines Kältemittel­kreislaufs mit einer im offenen Kreislauf geführten Wärme­trägerflüssigkeit beaufschlagt wird, die ihrerseits über die Umgebungsluft aufgewärmt wird.
  • Bei Wärmepumpen mit Umgebungsluft als Abwärmequelle ist in der Regel der Verdampfer aufgrund der großen erforder­lichen Oberfläche die kostenintensivste Komponente. Die um mehrere Größenordnung unterschiedlichen Wärmeübergangs­koeffizienten auf der Kältemittelseite einerseits und auf der Luftseite andererseits müssen durch unterschiedlich große Oberflächen kompensiert werden. Da ferner abhängig vom verwendeten Kältemittel bei der Werkstoffwahl häufig Korrosionsprobleme zu berücksichtigen sind, muß der Ver­dampfer zusätzlich aus sehr teuren Materialien gefertigt werden.
  • Es ist bereits versucht worden, durch die Zwischenschaltung eines zusätzlichen Wärmeträgerkreislaufs mit einer Sole als Wärmeträgerflüssigkeit ein Bindeglied zwischen der Abwärmquelle Luft einerseits und dem Verdampfer der Wärme­pumpe andererseits zu schaffen, um die vorstehend geschil­derten Schwierigkeiten zu vermeiden. Da nun der Verdampfer des Kältemittelkreislaufs mit der Sole als Wärmeträger­flüssigkeit beaufschlagt wird, kann er wegen der wesent­lich besseren Wärmeübergangsbedingungen kleiner gebaut werden. Andererseits kann der nunmehr erforderlich werdende zusätzliche Wärmeaustauscher für den Wärmeaustausch zwischen Luft und Wärmeträgerflüssigkeit aus preisgünstigen Materia­lien, beispielsweise Kunststoff gebaut werden, da sowohl die durch die Kältemittel bedingten Korrosionsprobleme entfallen und darüber hinaus auch keine Druckbeständigkeit mehr erforderlich ist, da der Kreislauf der Wärmeträger­flüssigkeit offen geführt werden kann. Der Wärmeaustausch zwischen Luft und Wärmeträgerflüssigkeit kann hierbei beispielsweise in einem herkömmlichen Kühlturm vorgenommen werden, bei dem die Wärmeträgerflüssigkeit über einen Füllkörpereinbau gleichmäßig verteilt wird und an den Füllkörpern herabrieselt, während die Luft mit Hilfe eines Ventilators durch den Füllkörpereinbau hindurchgesaugt wird. Da die Wärmeträgerflüssigkeit nach dem Durchgang durch den Verdampfer des Kältemittelkreislaufs abgekühlt worden ist, erfolgt nunmehr durch den Kontakt mit der durchgesaugten Luft eine entsprechende Aufwärmung, so daß die von der Wärmeträgerflüssigkeit aus der Umgebungsluft aufgenommenen Wärmemengen wiederum zur Beaufschlagung des Verdampfers des Kältemittelkreislaufs zur Verfügung stehen.
  • Als Wärmeträgerflüssigkeit wurde bisher Wasser verwendet, dem Zusätze beigemischt waren, beispielsweise Glykole, die den Gefrierpunkt des Wassers herabsetzen, so daß ein Wärmepumpenbetrieb gerade bei den hier interessierenden Temperaturlagen bei Außentemperaturen um 0° C möglich ist.
  • Der Nachteil der bisher verwendeten Wärmeträgerflüssig­keiten besteht darin, daß infolge des unmittelbaren Wärme­austauschs zwischen der Luft einerseits und der aus dem Verdampfer des Kältemittelkreislaufs mit Temperaturen unter 0° C austretenden Wärmeträgerflüssigkeit anderer­seits bei der Luft Taupunktunterschreitungen auftreten und somit die in der Luft enthaltene Feuchtigkeit konden­siert und sich auf der von der Wärmeträgerflüssigkeit beaufschlagten Fläche des Füllkörpereinbaus niederschlägt und von der aus einer Glykol-Wasser-Mischung bestehenden Wärmeträgerflüssigkeit aufgenommen wird. Damit wird mit zunehmender Betriebsdauer die Wärmeträgerflüssigkeit durch das aufgenommene Kondenswasser verdünnt und zugleich die Menge der umlaufenden Wärmeträgerflüssigkeit erhöht, so daß unter ungünstigen klimatischen Bedingungen die Aus­tauschereinrichtung für den Wärmeaustausch zwischen Luft und Wärmeträgerflüssigkeit vereist. Eine Regelung zur Konstanthaltung der Mischungskonzentration ist aufwendig und die fortlaufende Entsorgung der jeweils mit Wasser verdünnten Wärmeträgerflüssigkeit ist kostenaufwendig.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Betriebsver­fahren zu schaffen, mit dem die vorstehend geschilderten Nachteile vermieden werden.
  • Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß als Wärmeträgerflüssigkeit eine mit Wasser nicht misch­bare Flüssigkeit verwendet wird. Besonders zweckmäßig ist es, wenn in Ausgestaltung der Erfindung die mit Wasser nicht mischbare Wärmeträgerflüssigkeit eine von Wasser deutlich abweichende Dichte aufweist. Dies hat den Vorteil, daß die im Bereich der Austauschereinrichtung kondensierende Luftfeuchtigkeit zwar von der Wärmeträgerflüssigkeit mitge­nommen, jedoch von dieser nicht aufgenommen wird. Das Wasser kann dann von der Wärmeträgerflüssigkeit in einfacher Weise getrennt werden. Die Trennung von Wasser und Wärme­trägerflüssigkeit ist besonders dann ohne großen Aufwand möglich, wenn die Dichteunterschiede zwischen dem Wasser und der Wärmeträgerflüssigkeit deutlich unterschieden sind. Da die Wärmeträgerflüssigkeit und das durch Konden­sation von der Wärmeträgerflüssigkeit mitgenommene Wasser sich nicht mischen, kann bei entsprechender Ausgestaltung der Abscheideeinrichtung, die beispielsweise auch ein einfaches Absitzbecken sein kann, das Wasser beispiels­weise unmittelbar in die Kanalisation abgeleitet werden. Es muß lediglich Vorsorge dafür getroffen werden, daß eine einwandfreie Trennung erfolgt. In besonders zweck­mäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß als Wärmeträgerflüssigkeit ein Öl verwendet wird.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Wärmeträgerflüssigkeit vor der Beaufschlagung des Verdampfers über eine Einrichtung zum Abscheiden von Wasser geführt wird. Hierdurch wird zum einen vermieden, daß das beim Wärmeaustausch der Wärmeträgerflüssigkeit aufgenommene Kondenswasser in der zum Betrieb des Kreis­laufes erforderlichen Pumpe mit der Wärmeträgerflüssigkeit emulgiert wird und anschließend im Verdampfer des Kälte­mittelkreislaufes infolge der Abkühlung auf Temperaturen unter 0° C auskristallisiert und Vereisungen in diesem Bereich hervorruft.
  • Die Erfindung wird anhand eines Fließbildes näher erläutert. An einer Wärmepumpenanlage 1 üblicher Bauart ist ein Ver­dampfer 2 angeordnet, der einerseits durch das Kältemittel der Wärmepumpenanlage durchströmt ist und andererseits mit einer Wärmeträgerflüssigkeit beaufschlagt ist.
  • Die Wärmeträgerflüssigkeit, beispielsweise ein Wärmeträger­öl wird über eine Rohrleitung 4 aus dem Verdampfer 2 abgezo­gen und über Düsen 5 einer Wärmetauschereinrichtung 6 zugeführt. Die Wärmetauschereinrichtung 6 ist nach Art eines Kühlturms aufgebaut, der einen Füllkörpereinbau 7 aufweist, auf den die Wärmeträgerflüssigkeit über die Düsen 5 aufgedüst wird. Mit Hilfe eines Ventilators 8 wird von unten nach oben Luft durch den Füllkörpereinbau 7 hindurchgezogen, so daß die Luft in direktem Kontakt der von oben nach unten durch den Füllkörpereinbau 7 herab­laufenden Wärmeträgerflüssigkeit tritt. Die Wärmeträger­flüssigkeit wird in einem Sammelbehälter 9 aufgefangen, aus dem sie mit Hilfe einer Pumpe 10 abgesaugt und über die Rohrleitung 3 durch den Verdampfer 2 der Wärmepumpen­anlage 1 hindurchgedrückt wird.
  • Oberhalb der Düsen 5 ist ein Tropfenabscheider 11 üblicher Bauart angeordnet, durch den vom Luftstrom mitgerissene Tropfen der Wärmeträgerflüssigkeit abgefangen werden.
  • Die aus dem Verdampfer 2 austretende Wärmeträgerflüssigkeit ist durch die Wärmeabgabe an das in der Wärmepumpenanlage 1 im Kreislauf geführte Kältemittel abgekühlt worden, bei entsprechender Betriebslage beispielsweise auf eine Tem­peratur von -11° C. Die soweit abgekühlte Wärmeträger­flüssigkeit wird nun auf den Füllkörpereinbau 7 aufgegeben, so daß sie durch den unmittelbaren Kontakt mit der Umge­bungsluft aufgeheizt wird, die beispielsweise eine Tempera­tur von +5° C aufweist. Das hierbei sich auf der Wärme­trägerflüssigkeit niederschlagende Kondenswasser wird mit der Wärmeträgerflüssigkeit in den Sammelbehälter 9 mitgenommen. Da die Wärmeträgerflüssigkeit jedoch mit Wasser nicht mischbar ist, wie dies beispielsweise bei einem Wärmeträgeröl der Fall ist, ergibt sich durch einen Absetzvorgang eine einwandfreie Abtrennung des aufgenom­menen Kondenswassers, so daß dieses gesondert aus dem Sammelbehälter 9 in entsprechenden Intervallen abgezo­gen werden kann.

Claims (4)

1. Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpenanlage, bei der der Verdampfer eines Kältemittelkreislaufs mit einer im offenen Kreislauf geführten Wärmeträgerflüssigkeit beaufschlagt wird, die ihrerseits über die Umgebungsluft aufgewärmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmeträgerflüssigkeit eine mit Wasser nicht misch­bare Flüssigkeit verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Wasser nicht mischbare Wärmeträgerflüssig­keit eine von Wasser deutlich abweichende Dichte aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­net, daß als Wärmeträgerflüssigkeit ein Öl verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeträgerflüssigkeit vor der Beaufschlagung des Verdampfers über eine Einrichtung zum Abscheiden von Wasser geführt wird.
EP19890109332 1988-08-05 1989-05-24 Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpenanlage Withdrawn EP0353410A3 (de)

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DE3826678A DE3826678A1 (de) 1988-08-05 1988-08-05 Verfahren zum betrieb einer waermepumpenanlage

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NO892569D0 (no) 1989-06-21
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NO892569L (no) 1990-02-06
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