EP0969255A2 - Anlage mit einer Wärmepumpe und einem Speicher - Google Patents

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EP0969255A2
EP0969255A2 EP99111775A EP99111775A EP0969255A2 EP 0969255 A2 EP0969255 A2 EP 0969255A2 EP 99111775 A EP99111775 A EP 99111775A EP 99111775 A EP99111775 A EP 99111775A EP 0969255 A2 EP0969255 A2 EP 0969255A2
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EP
European Patent Office
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heat exchanger
temperature
temperature heat
riser pipe
storage
Prior art date
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EP99111775A
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English (en)
French (fr)
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EP0969255A3 (de
EP0969255B1 (de
Inventor
Jürgen Köhler
Nicholas Lembke
Wilhelm Tegethoff
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Konvecta AG
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Konvecta AG
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Publication date
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Publication of EP0969255A3 publication Critical patent/EP0969255A3/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H9/00—Details
    • F24H9/0005—Details for water heaters
    • F24H9/001—Guiding means
    • F24H9/0015—Guiding means in water channels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H4/00—Fluid heaters characterised by the use of heat pumps
    • F24H4/02—Water heaters
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F24H9/0005—Details for water heaters
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    • F24H9/0015—Guiding means in water channels
    • F24H9/0021—Sleeves surrounding heating elements or heating pipes, e.g. pipes filled with heat transfer fluid, for guiding heated liquid
    • 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
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
    • F25B9/008—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant the refrigerant being carbon dioxide
    • 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
    • F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/06—Compression machines, plants or systems characterised by the refrigerant being carbon dioxide
    • F25B2309/061—Compression machines, plants or systems characterised by the refrigerant being carbon dioxide with cycle highest pressure above the supercritical pressure

Definitions

  • the invention relates to a system with a heat pump, a compressor, a high temperature heat exchanger, an expansion device and a low-temperature heat exchanger which is in a circle with each other connected and flowed through by work equipment, and with one containing a storage fluid temperature-stratified storage, in its bottom Area of high temperature heat exchangers of the heat pump is arranged.
  • Such a system is, for example, from the prospectus of Blomberg-Vertriebsgesellschaft mbH, 59229 Ahlen: "WARM WATER HEAT PUMPS and HOT WATER STORAGE", 3rd ed., 2/95, known.
  • High-temperature heat exchangers as smooth-tube heat exchangers educated.
  • finned tubes to the Heat transfer from high temperature heat exchanger to To improve storage fluid.
  • said storage fluid it is usually used water or plain heating water.
  • From CH-PS 524 115 is a water heater Generation and storage of hot water with an in lower part of the with a hot water and a Cold water connection equipped container within a Riser arranged heating unit known.
  • a water heater of the last type mentioned Generation and storage of hot water is also out known from DE 31 37 146 C2.
  • the water heater is the one that receives the heating unit Housing part of the riser pipe towards the inside of the container closed, the cold water supply to the tank in on himself known with a stop device for equipped with a cleaning hose that Cold water supply to the tank in the flow direction of the Water behind the cleaning hose connection with a Bypass line equipped in the housing for the Heating unit opens, a locking device in the Cold water supply between the tank and the connection the bypass line to the cold water supply line, and on the discharge side of the riser pipe inside the container a connecting device for connecting a Cleaning hose provided that the inside of the riser pipe opposite the interior of the container when connected Disconnect the cleaning hose.
  • Heat pumps especially with carbon dioxide as Work equipment can work according to the instantaneous water heater principle are used in which the fluid to be heated, especially water that is heated the moment it is heated is needed.
  • the heated one Store water in a suitable storage tank.
  • Layered memories are known from solar energy technology. These strata stores have an internal one Heat exchanger on the in a flow tank Riser pipe is installed. Such a stratified storage is from the prospectus of Solvis Energysysteme GmbH & Co. KG., 38122 Braunschweig, date of issue: March 25, 1997: "Stratos Integral: hot water and heating support in one Device ", pages 6 and 7, known.
  • the internal Heat exchanger is there to heat the energy of the heat transfer fluid coming to the solar collector Surrender memory.
  • the invention has for its object a system of to create a high Has a performance figure, which is to be heated Storage fluid with a high temperature heat exchanger leaves the highest possible usable temperature, the High temperature heat exchanger is compact and has a high heat transfer capacity, and wherein to drive the volume flow of the to be heated Storage fluid mechanical drive means, such as a pump, are unnecessary.
  • the high-temperature heat exchanger can Cross-countercurrent heat exchanger.
  • the high temperature heat exchanger can be opened in an underside, bell-shaped container can be provided.
  • the said The container can also be closed on the underside.
  • the storage fluid to be heated comes from the lower - i.e. bottom area of the temperature-stratified storage and the heated storage fluid is removed from it
  • the upper area of the memory is layered again.
  • the Plant of the high-temperature heat exchanger according to the invention is designed as a finned tube bundle heat exchanger.
  • Such finned tube bundle heat exchanger can in advantageously small volume, i.e. compact be dimensioned or designed to be a corresponding to realize high heat transfer capacity.
  • the Fins of such a finned tube bundle heat exchanger cause advantageously in flowing, too heating storage fluid only a relatively small Pressure drop so that the thermosiphonic drive does not is disturbed.
  • it is important that the Volume flow of the storage fluid to be heated is not too rises sharply, otherwise the heat to be warmed up Storage fluid not to the necessary useful or Storage tank temperature warmed up.
  • the thermosiphonic volume flow of the to be heated Storage fluids must be large enough to hold the working fluid the carbon dioxide forming the heat pump is sufficiently deep cool down.
  • the riser pipe preferably has one such a clear internal cross-section and such axial length dimension that its thermosiphonic Flow pressure drop a volume flow with lower High temperature heat exchanger outlet temperature of the Heat pump drive means and with high Outlet temperature of the storage fluid to be heated on Has riser pipe outlet of the riser pipe. This will a correspondingly high storage temperature and a high one Achievement figure achieved.
  • thermosiphonic drive and for material saving Increase in countercurrent or Cross-counterflow heat transfer area between the Carbon dioxide from the heat pump and the one to be heated
  • Storage fluid in the storage connected to the heat pump can the compressor of the heat pump by means of a Connection line with the high-temperature heat exchanger be connected, which extends axially from the riser pipe outlet the riser pipe provided in the store extends downwards.
  • the connecting line is coaxial the riser pipe extends.
  • the pipe coil can in the bottom area of the Storage below the high temperature heat exchanger and be arranged below the container in the memory.
  • the Pipe coil can be in at least one level be arranged at least to the bottom of the memory is provided approximately in parallel.
  • the said snake can also be arranged inside the container.
  • a typical application or operating case of plant according to the invention is the heating of drinking water, the water in the temperature-stratified storage tank System in the initial state a homogeneous temperature of e.g. 15 ° C.
  • the heat pump containing carbon dioxide will be in the store located water with the help of the high temperature heat exchanger warmed up. Because of this warming it experiences this Water has a thermosiphonic buoyancy and flows through the riser pipe provided in the storage in the top Storage area. Here it forms due to the low Density compared to the colder storage water a warm one Layer of water. Without significant mixing of the warm water with the cold water underneath the memory is gradually heated up until finally the warm water layer also covers the lower part of the Memory reached.
  • a control device may be provided.
  • This control device is, for example, a valve with which it is possible to regulate the volume flow in the riser pipe in such a way that, regardless of the state of charge of the accumulator and / or regardless of the operating state of the heat pump at the riser pipe outlet, an at least approximately constant temperature of the accumulator fluid is established .
  • Fig. 1 shows a graphical representation of the functional relationship between the temperature T and the enthalpy H in the high-temperature heat exchanger of a heat pump with a conventional refrigerant or working fluid, which is illustrated by the line 10, compared to carbon dioxide as a working fluid the dashed line 12 is shown in the drawing.
  • the reference number 14 in FIG. 1 denotes the functional relationship between the temperature T and the enthalpy H of the fluid to be heated. It can be seen from FIG. 1 that - apart from the desuperheating and supercooling section - there is a largely constant condensation temperature T K in the high-temperature heat exchanger of a heat pump with a conventional refrigerant or working medium.
  • This condensation temperature T K is clearly linked to the condensation pressure via the vapor pressure relationship.
  • the dashed line 12 shows, there is a continuous decrease in temperature, i.e. temperature sliding, of the carbon dioxide gas.
  • the temperature of the working or useful fluid to be heated increases linearly proportionally with the enthalpy H, which is illustrated in FIG. 1 by line 14.
  • the special advantages of carbon dioxide compared to conventional refrigerants are their high environmental compatibility.
  • higher performance figures can be achieved than with conventional compression heat pumps. With fluid temperatures of over 65 ° C to be achieved - in contrast to carbon dioxide - conventional refrigerants can no longer be used sensibly.
  • thermodynamically favorable for conventional refrigerants to heat the fluid to be heated with a low temperature glide since in this case the temperature profile of the fluid to be heated better matches the largely constant temperature profile of the condensed one conventional refrigerant. Because of the high temperature glide of carbon dioxide, a high temperature glide of the fluid to be heated is thermodynamically favorable, as has already been stated.
  • the heat pump 18 has a compressor 22, one High temperature heat exchanger 24, one Expansion device 26 and a low temperature heat exchanger 28 on.
  • the compressor 22, the High temperature heat exchanger 24, the Expansion device 26 and the low-temperature heat exchanger 28 are in a circle with each other connected and flowed through by a work equipment in which it is carbon dioxide.
  • the high temperature heat exchanger 24 of the heat pump 18 is arranged in the bottom region 30 of the memory 20.
  • the memory 20 is filled with a storage fluid 32, he has an undrawn inlet and outlet for the Storage fluid 32 on.
  • the one in the bottom area 30 of the memory 20 provided low temperature heat exchanger 24 is e.g. in a bell-shaped container 34 open on the underside arranged and as a countercurrent heat exchanger, preferably as a cross-counterflow heat exchanger.
  • To the Container 34 encloses the flow on the upper side Riser pipe 36, which is connected to a riser pipe section 38 extends to the upper region 40 of the memory 20.
  • a temperature stratified Memory i.e. the heated storage fluid 32 is in the Riser pipe 36 transported thermosiphonically upwards.
  • the heated storage fluid 32 forms due to its relative low density compared to that at the bottom region 30 located colder storage fluid 32 in the top Area 40 from a warm storage fluid layer. Without significant mixing of the warm with the cold Storage fluid 32 becomes storage fluid 32 in storage 20 gradually warmed from top to bottom until finally the warm storage fluid 32 also the bottom area 30 of the memory 20 reached.
  • FIG. 3 shows a preferred embodiment of the memory 20 in one of FIG. 2 similar schematic Sectional view.
  • the high temperature heat exchanger 24 is here as a finned tube bundle heat exchanger 42 trained as he also in Fig. 4 in a perspective representation is drawn.
  • Such Finned tube bundle heat exchangers are known per se that this need not be discussed in more detail.
  • High temperature heat exchanger 24 is by means of a Connection line 44 with the compressor 22 (see FIG. 2) connected.
  • This connecting line 44 extends from Riser outlet 38 axially, preferably coaxially, through the Riser pipe 36 down into the container 34 and is there to the high-temperature heat exchanger 24 connected.
  • the high temperature heat exchanger 24 is with the expansion device 26 (see FIG. 2) by means of a Return line 46 connected - as can be seen in Fig. 3 is - has a coil 48.
  • This coil 48 is shown in Fig. 3 in a side view simply as a line and underneath in a top or bottom view as Snake line clarified.
  • the coil 48 is at this training in the bottom region 30 of the memory 20 below the high temperature heat exchanger 24 and below the bell-shaped, open on the underside Container 34 arranged.
  • the pipe coil 48 can, for example. also be provided in the container 34.
  • Fig. 5 illustrates in a block or sectional view schematically an embodiment of the system 16, which has a heat pump 18 and a memory 20.
  • the Heat pump 18 has a compressor 22, one High temperature heat exchanger 24, one Expansion device 26 and a low temperature heat exchanger 28 on.
  • the compressor 22, the High temperature heat exchanger 24, the Expansion device 26 and the low-temperature heat exchanger 28 are in a circle with each other connected and by carbon dioxide as a working tool flowed through.
  • the high temperature heat exchanger 24 of the heat pump 18 is in the bottom area 30 of the storage 20 of the system 16 arranged.
  • the memory 20 is provided with a storage fluid 32 filled, it has an undrawn inlet and outlet for the storage fluid 32.
  • the one in the bottom area 30 of the memory 20 provided high temperature heat exchanger 24 is in one Open, bell-shaped container 34 arranged on the underside and dimensioned as a counterflow heat exchanger. This is preferably a so-called Cross-counterflow heat exchanger.
  • a riser pipe is connected to the top of the container 34 36 on that with a riser outlet 38 to area 40 of the memory 20 extends.
  • the storage fluid 32 filled storage 20 of the system 16 is a temperature stratified Storage, in which the heated storage fluid 32 in Riser pipe 36 is transported thermosphonically upwards.
  • the heated storage fluid 32 forms due to its relatively low density compared to that in the bottom Area 30 of colder storage fluid 32 in the top area 40 of memory 20 is a warm one Storage fluid layer. Without significant mixing the warm with the cold storage fluid 32 will Storage fluid 32 in the storage gradually from above heated below until finally the warm storage fluid 32 also the bottom region 30 of the memory 20 reached.
  • a control device 50 provided, which can be a valve.

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Abstract

Es wird eine Anlage (16) mit einer Wärmepumpe (18) und einem ein Speicherfluid (32) enthaltenden Speicher (20) beschrieben. Die Wärmepumpe (18) weist einen Verdichter (22), einen Hochtemperatur-Wärmeübertrager (24), eine Expansionseinrichtung (26) und einen Niedertemperatur-Wärmeübertrager (28) auf, die in einem Kreis miteinander verbunden und von Kohlendioxid als Arbeitsmittel durchflossen sind. Der Hochtemperatur-Wärmeübertrager (24) der Wärmepumpe (18) ist im bodenseitigen Bereich (30) des temperaturgeschichteten Speichers (20) angeordnet. Der Hochtemperatur-Wärmeübertrager (24) ist ein Gegenstrom-Wärmeübertrager, der in einem Behälter (34) vorgesehen ist. An den Behälter (34) schließt oberseitig strömungstechnisch ein Steigrohr (36) an, das sich mit einem Steigrohraustritt (38) zum oberseitigen Bereich (40) des Speichers (20) erstreckt. Der Hochtemperatur-Wärmeübertrager (24) ist vorzugsweise als Lamellenrohrbündel-Wärmeübertrager (42) ausgebildet. Im Steigrohr (36) kann zur Regelung des Volumenstromes des zu erwärmenden Speicherfluides (32) eine Regelungseinrichtung (50) vorgesehen sein. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage mit einer Wärmepumpe, die einen Verdichter, einen Hochtemperatur-Wärmeübertrager, eine Expansionseinrichtung und einen Niedertemperatur-Wärmeübertrager aufweist, die in einem Kreis miteinander verbunden und von einem Arbeitsmittel durchflossen sind, und mit einem ein Speicherfluid enthaltenden temperaturgeschichteten Speicher, in dessen bodenseitigem Bereich der Hochtemperatur-Wärmeübertrager der Wärmepumpe angeordnet ist.
Eine derartige Anlage ist bspw. aus dem Prospekt der Fa.Blomberg-Vertriebsgesellschaft mbH, 59229 Ahlen: "WARMASSER WÄRMEPUMPEN und WARMWASSER SPEICHER", 3. Aufl., 2/95, bekannt. Bei dieser bekannten Anlage ist der Hochtemperatur-Wärmeübertrager als Glattrohr-Wärmeaustauscher ausgebildet. Desweiteren ist es bekannt, solche Glattrohre durch Rippenrohre zu ersetzen, um die Wärmeübertragung vom Hochtemperatur-Wärmeübertrager zum Speicherfluid zu verbessern. Bei dem besagten Speicherfluid handelt es sich üblicherweise um Brauch- bzw. Nutzwasser oder uni Heizungswasser.
Aus der CH-PS 524 115 ist ein Warmwasserbereiter zur Erzeugung und Speicherung von heißem Wasser mit einem im unteren Teil des mit einem Warmwasser- und einem Kaltwasseranschluß ausgerüsteten Behälters innerhalb eines Steigrohres angeordneten Heizaggregat bekannt. Durch Anordnung des Wärmetauschers im unteren Bereich des Warmwasserbereiters, und dadurch, daß das Steigrohr im oberen Bereich des Behälters ausmündet, wird dort sichergestellt, daß bereits bei geringer Wärmeleistung des Wärmetauschers möglichst frühzeitig Warmwasser zur Verfügung steht. Der Wärmetauscher wird dabei in seinem unteren Bereich allseitig durch das zu erwärmende Wasser angeströmt.
Ein Warmwasserbereiter der zuletzt genannten Art zur Erzeugung und Speicherung von heißem Wasser ist auch aus der DE 31 37 146 C2 bekannt. Bei diesem bekannten Warmwasserbereiter ist der das Heizaggregat aufnehmende Gehäuseteil des Steigrohres zum Inneren des Behälters hin geschlossen, die Kaltwasserzuleitung zum Behälter in an sich bekannter Weise mit einer Anschlugvorrichtung für einen Reinigungsschlauch ausgerüstet, die Kaltwasserzuleitung zum Behälter in Fließrichtung des Wassers hinter dem Reinigungsschlauchanschluß mit einer Bypaßleitung ausgerüstet, die in das Gehäuse für das Heizaggregat mündet, eine Verschlußvorrichtung in der Kaltwasserzuleitung zwischen dem Behälter und dem Anschluß der Bypaßleitung an die Kaltwasserzuleitung angeordnet, und an der Abgabeseite des Steigrohres innerhalb des Behälters eine Anschlußvorrichtung für den Anschluß eines Reinigungsschlauches vorgesehen, die das Steigrohrinnere gegenüber dem Behälterinnenraum bei angeschlossenem Reinigungsschlauch abtrennt. Durch eine solche Ausbildung wird eine leichte und schnelle Entkalkung und Reinigung des Wärmetauschers, der bspw. eine Heizwendel aufweist, und des Steigrohres ohne großen Materialaufwand ermöglicht.
Bei Wärmepumpen, d.h. bei Kompressionswärmepumpen kommen bislang als Arbeitsmittel z.B. R134a, R22 oder Propan zur Anwendung. Neuerdings werden auch Versuche mit Kohlendioxid als Arbeitsmittel durchgeführt bzw. Kompressionswärmepumpen mit Kohlendioxid als Arbeitsmittel zum Einsatz gebracht. Bei solchen Kohlendioxid-Kompressionswärmepumpen liegt der Hochdruck über dem kritischen Druck von 7,4 MPa. Bei solchen Kohlendioxid-Kompressionswärmepumpen gibt es keinen Kondensationsprozeß mehr. Das Kohlendioxid, das den Verdichter mit hohem Druck und mit hoher Temperatur, z.B mit 9 MPa und 100°C, verläßt, wird ohne zu kondensieren im Hochtemperatur-Wärmeübertrager auf eine Temperatur von bspw. 20°C abgekühlt.
Abgesehen von der Enthitzungs- und Unterkühlungsstrecke liegt im Hochtemperatur-Wärmeübertrager einer Wärmepumpe mit konventionellem Arbeits- bzw. Kältemittel eine weitgehend konstante Kondensationstemperatur vor, die über die Dampfdruckbeziehung eindeutig mit dem Kondensationsdruck verknüpft ist. Im Hochtemperatur-Wärmeübertrager einer Kompressionswärmepumpe mit Kohlendioxid als Arbeitsmittel liegt hingegen eine kontinuierliche Temperaturabnahme, d.h. ein sog. Temperaturgleit, des Kohlendioxidgases vor.
Wärmepumpen, insbesondere mit Kohlendioxid als Arbeitsmittel können nach dem Durchlauferhitzer-Prinzip eingesetzt werden, bei welchem das zu erwärmende Fluid, insbes. Wasser, in dem Augenblick erwärmt wird, in dem es benötigt wird. Es ist jedoch auch möglich, das erwärmte Wasser in einem geeigneten Speicher zwischenzuspeichern.
Aus der Solarenergietechnik sind Schichtenspeicher bekannt. Diese Schichtenspeicher weisen einen internen Wärmeüberträger auf, der in einen Strömungsbehälter mit Steigrohr eingebaut ist. Ein solcher Schichtenspeicher ist aus dem Prospekt der Fa. Solvis Energiesysteme GmbH & Co. KG., 38122 Braunschweig, Ausgabedatum: 25.3.1997: "Stratos Integral: Warmwasser und Heizungsunterstützung in einem Gerät", Seiten 6 und 7, bekannt. Der interne Wärmeübertrager dient dort dazu, die Wärmeenergie der von dem Solarkollektor kommenden Wärmeträgerflüssigkeit an den Speicher abzugeben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anlage der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine hohe Leistungsziffer besitzt, wobei das zu erwärmende Speicherfluid den Hochtemperatur-Wärmeübertrager mit einer möglichst hohen Nutztemperatur verläßt, wobei der Hochtemperatur-Wärmeübertrager kompakt ausgebildet ist und über ein hohes Wärmeübertragungsvermögen verfügt, und wobei zum Antrieb des Volumenstromes des zu erwärmenden Speicherfluids mechanische Antriebsmittel, wie eine Pumpe, entbehrlich sind.
Diese Aufgabe wird bei einer Anlage der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der HochtemperaturWärmeübertrager ein Gegenstrom-Wärmeübertrager ist, der in einem zugehörigen Behälter vorgesehen ist, an den oberseitig strömungstechnisch ein Steigrohr anschließt, das sich mit einem Steigrohraustritt zum oberseitigen Bereich des Speichers erstreckt, und daß das Arbeitsmittel der Wärmepumpe Kohlendioxid ist. Dadurch, daß der Hochtemperatur-Wärmeübertrager das Speicherfluid, vorzugsweise Brauch- bzw. Nutzwasser oder Heizungswasser, im Gegenstrom erwärmt, ergibt sich der Vorteil, daß - für den Fall, daß der zu erwärmende Fluidstrom optimal ausgebildet ist - der Arbeitspunkt des Hochtemperatur-Wärmneübertrager zwei wichtige Anforderungen erfüllt, nämlich
  • 1) das Kohlendioxid-Gas verläßt den Hochtemperatur-Wärmeübertrager mit einer relativ niedrigen Temperatur, wobei mit abnehmender Temperatur die Leistungsziffer steigt, und
  • 2) das zu erwärmende Speicherfluid verläßt den Hochtemperatur-Wärmeübertrager mit einer relativ hohen Nutztemperatur.
    • Die speziellen Vorteile von Kohlendioxid gegenüber konventionellen Kältemitteln liegen in der hohen Ümweltverträglichkeit. Außerdem können bei der Erwärmung eines Fluids auf über 50°C höhere Leistungsziffern erreicht werden als bei konventionellen Kompressionswärmepumpen. Bei zu erzielenden Fluidtemperaturen von über 65°C können - im Gegensatz zu Kohlendioxid - konventionelle Kältemittel nicht mehr sinnvoll eingesetzt werden. Wie an den spezifischen Temperaturverläufen im Hochtemperatur-Wärmeübertrager deutlich wird, ist es für konventionelle Kältemittel thermodynamisch günstig, das zu erwärmende Fluid mit einem geringen Temperaturgleit zu erwärmen, da sich in diesem Fall der Temperaturverlauf des zu erwärmenden Fluids besser an den weitgehend konstanten Temperaturverlauf des kondensierten konventionellen Kältemittels anpaßt. Wegen des hohen Temperaturgleits von Kohlendioxid ist entsprechend ein hoher Temperaturgleit des zu erwärmenden Fluids thermodynamisch günstig.
    Erfindungsgemäß kann der Hochtemperatur-Wärmeübertrager ein Kreuzgegenstrom-Wärmeübertrager sein. Der Hochtemperatur-Wärmeübertrager kann in einem unterseitig offenen, glockenförmigen Behälter vorgesehen sein. Der besagte Behälter kann unterseitig auch geschlossen sein.
    Das zu erwärmende Speicherfluid kommt aus dem unter- d.h. bodenseitigen Bereich des temperaturgeschichteten Speichers und das erwärmte Speicherfluid wird im davon entfernten oberseitigen Bereich des Speichers wieder eingeschichtet.
    Durch die Ausbildung des Speichers mit dem zugehörigen Behälter im bodenseitigen Bereich des Speichers und durch das an den Behälter oberseitig strömungstechnisch anschließende Steigrohr wird erreicht, daß der Antrieb des Volumenstromes des zu erwärmenden Speicherfluides thermosiphonisch erfolgt, so daß zum besagten Antrieb des Volumenstromes des zu erwärmenden Speicherfluides kein mechanisches Antriebsmittel wie eine Pumpe o.dgl. erforderlich ist.
    Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn bei der erfindungsgemäßen Anlage der Hochtemperatur-Wärmeübertrager als Lamellenrohrbündel-Wärmeübertrager ausgebildet ist. Ein solche Lamellenrohrbündel-Wärmeübertrager kann in vorteilhafter Weise kleinvolumig, d.h. kompakt dimensioniert bzw. ausgebildet sein, um ein entsprechend hohes Wärmeübertragungsvermögen zu realisieren. Die Lamellen eines solchen Lamellenrohrbündel-Wärmeübertragers verursachen in vorteilhafter Weise im durchströmenden, zu erwärmenden Speicherfluid nur einen relativ geringen Druckabfall, so daß der thermosiphonische Antrieb nicht gestört wird. Andererseits ist es wichtig, daß der Volumenstrom des zu erwärmenden Speicherfluides nicht zu stark ansteigt, da sich sonst das zu erwärmende Speicherfluid nicht auf die notwendige Nutz- bzw. Speicherendtemperatur erwärmt. Andererseits muß der thermosiphonische Volumenstrom des zu erwärmenden Speicherfluides groß genug sein, um das das Arbeitsmittel der Wärmepumpe bildende Kohlendioxid hinreichend tief abzukühlen.
    Erfindungsgemäß besitzt das Steigrohr vorzugsweise einen derartigen lichten Innenquerschnitt und eine derartige axiale Längenabmessung, daß sein thermosiphonischer Strömungs-Druckabfall einen Volumenstrom mit niedriger Hochtemperatur-Wärmeübertrager-Austrittstemperatur des Wärmepumpen-Antriebsmittels und mit hoher Austrittstemperatur des zu erwärmenden Speicherfluids am Steigrohraustritt des Steigrohres aufweist. Hierdurch wird eine entsprechend hohe Speichertemperatur und eine hohe Leistungsziffer erzielt.
    Zur weiteren Verbesserung bzw. Optimierung des thermosiphonischen Antriebs und zur materialsparenden Vergrößerung der Gegenstrom- bzw. Kreuzgegenstromwärmeübertragungsfläche zwischen dem Kohlendioxid der Wärmepumpe und dem zu erwärmenden Speicherfluid im mit der Wärmepumpe verbundenen Speicher kann der Verdichter der Wärmepumpe mittels einer Anschlußleitung mit dem Hochtemperatur-Wärmeübertrager verbunden sein, die sich vom Steigrohraustritt axial durch das im Speicher vorgesehene Steigrohr nach unten erstreckt.
    Bei einer solchen Ausbildung der zuletzt genannten Art ist es bevorzugt, wenn die Anschlußleitung sich koaxial durch das Steigrohr erstreckt.
    Zur verbesserten Abkühlung des Kohlendioxids und zur materialsparenden Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche des Hochtemperatur-Wärmeübertrager kann dieser mit der Expansionseinrichtung der Wärmepumpe mittels einer Rückleitung verbunden sein, die eine Rohrschlange aufweist. Die Rohrschlange kann im bodenseitigen Bereich des Speichers unterhalb des Hochtemperatur-Wärmeübertrager und unterhalb des Behälters im Speicher angeordnet sein. Die Rohrschlange kann hierbei in mindestens einer Ebene angeordnet sein, die zum Boden des Speichers mindestens annähernd parallel vorgesehen ist. Die besagte Rohrschlange kann auch innerhalb des Behälters angeordnet sein.
    Ein typischer Anwendungs- bzw. Betriebsfall der erfindungsgemäßen Anlage ist die Trinkwassererwärmung, wobei das Wasser im temperaturgeschichteten Speicher der Anlage im Anfangszustand eine homogene Temperatur von z.B. 15°C besitzt. Nach Einschalten der als Arbeitsmittel Kohlendioxid beinhaltenden Wärmepumpe wird das im Speicher befindliche Wasser mit Hilfe des Hochtemperatur-Wärmeübertrager erwärmt. Durch diese Erwärmung erfährt das Wasser einen thermosiphonischen Auftrieb und fließt durch das im Speicher vorgesehene Steigrohr in den oberseitigen Speicherbereich. Hier bildet es aufgrund der geringen Dichte gegenüber dem kälteren Speicherwasser eine warme Wasserschicht aus. Ohne nennenswerte Durchmischung des warmen Wassers mit dem darunter befindlichen kalten Wasser wird der Speicher nach und nach erwärmt, bis schließlich die warme Wasserschicht auch den unteren Bereich des Speichers erreicht.
    Um bei einer solchen Anlage der oben beschriebenen Art zuverlässig zu verhindern, daß die Temperatur des Speicherfluides am Steigrohraustritt in Abhängigkeit vom Ladezustand des Speichers und/oder in Abhängigkeit vom Betriebszustasnd der CO2-Wärmepumpe innerhalb eines bestimmten Bereiches schwankt, kann im Steigrohr zur Regelung des Volumenstromes des zu erwärmenden Speicherfluides eine Regelungseinrichtung vorgesehen sein. Bei dieser Regelungseinrichtung handelt es sich beispielsweise um ein Ventil, mit dem es möglich ist, den Volumenstrom im Steigrohr derartig zu regeln, daß sich unabhängig vom Ladezustand des Speichers und/oder unabhängig vom Betriebszustand der Wärmepumpe am Steigrohraustritt eine mindestens annähernd konstante Temperatur des Speicherefluides einstellt. Durch eine derartige Ausbildung wird in vorteilhafter Weise auch bei extremen Betriebspunkten der Anlage oder bei abgewandelten Konstruktionen derselben ein optimaler Volumenstrom des Speicherlfuides ohne mechanische Antriebsmittel wie eine Pumpe o.dgl. gewährleistet.
    Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines in der Zeichnung verdeutlichten Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Anlage bzw. wesentlicher Einzelheiten derselben. Es zeigen:
    Fig. 1
    eine grafische Darstellung des Funktionszusammenhanges im Hochtemperatur-Wärmeübertrager zwischen der Temperatur und der Enthalpie eines konventionellen Wärmepumpen-Arbeitsmittels, von Kohlendioxid als Arbeitsmittel und des zu erwärmenden Fluides im Speicher der Anlage,
    Fig. 2
    schematisch in einer Schnittdarstellung eine Ausbildung der Anlage mit einer Wärmepumpe und einem Speicher,
    Fig. 3
    in einer der Fig. 2 ähnlichen Darstellung eine bevorzugte zweite Ausbildung des Speichers der Anlage,
    Fig. 4
    in einer perspektivischen Ansicht eine Ausbildung des Hochtemperatur-Wärmeübertragers der Anlage gemäß Fig. 3 als LamellenrohrbündelWärmeübertrager, und
    Fig. 5
    eine weitere Ausbildung der Anlage in einer der Fig.2 ähnlichen Darstellung.
    Fig. 1 zeigt in einer grafischen Darstellung den Funktionszusammenhang zwischen der Temperatur T und der Enthalpie H im Hochtemperatur-Wärmeübertrager einer Wärmepumpe mit einem konventionellen Kälte- bzw. Arbeitsmittel, der durch die Linie 10 verdeutlicht ist, im Vergleich zu Kohlendioxid als Arbeitsmitteln, das durch die strichlierte Linie 12 zeichnerisch dargestellt ist. Mit der Bezugsziffer 14 ist in Fig. 1 der Funktionszusammenhang zwischen der Temperatur T und der Enthalpie H des zu erwärmenden Fluides bezeichnet. Aus Fig.1 ist ersichtlich, daß - abgesehen von der Enthitzungs- und Unterkühlungsstrecke - im Hochtemperatur-Wärmeübertrager einer Wärmepumpe mit einem konventionellen Kälte- bzw. Arbeitsmittel eine weitgehende konstante Kondensationstemperatur TK vorliegt. Diese Kondensationstemperatur TK ist über die Dampfdruckbeziehung eindeutig mit dem Kondensationsdruck verknüpft. In einem Hochtemperatur-Wärmeübertrager mit dem Arbeitsmittel Kohlendioxid liegt hingegen - wie die strichlierte Linie 12 verdeutlicht - eine kontinuierliche Temperaturabnahme, d.h.ein sog. Temperaturgleit, des Kohlendioxidgases vor. Die Temperatur des zu erwärmenden Arbeits- bzw. NutzFluides nimmt mit der Enthalpie H linear proportional zu, was in Fig. 1 durch die Linie 14 verdeutlicht ist. Die speziellen Vorteile von Kohlendioxid gegenüber konventionellen Kältemitteln liegen in der hohen Umweltverträglichkeit. Außerdem können bei der Erwärmung eines Fluids auf über 50°C höhere Leistungsziffern erreicht werden als bei konventionellen Kompressionswärmepumpen. Bei zu erzielenden Fluidtemperaturen von über 65°C können - im Gegensatz zu Kohlendioxid - konventionelle Kältemittel nicht mehr sinnvoll eingesetzt werden. Wie an den spezifischen Temperaturverläufen im Hochtemperatur-Wärmeübertrager deutlich wird, ist es für konventionelle Kältemittel thermodynamisch günstig, das zu erwärmende Fluid mit einem geringen Temperaturgleit zu erwärmen, da sich in diesem Fall der Temperaturverlauf des zu erwärmenden Fluids besser an den weitgehend konstanten Temperanturverlauf des kondensierten konventionellen Kältemittels anpaßt. Wegen des hohen Temperaturgleits von Kohlendioxid ist entsprechend ein hoher Temperaturgleit des zu erwärmenden Fluids thermodynamisch günstig, wie bereits ausgeführt worden ist.
    Die Fig. 2 verdeutlicht in einer Block- bzw. Schnittdarstellung schematisch eine Ausbildung der Anlage 16, die eine Wärmepumpe 18 und einen Speicher 20 aufweist. Die Wärmepumpe 18 weist einen Verdichter 22, einen Hochtemperatur-Wärmeübertrager 24, eine Expansionseinrichtung 26 und einen Niedertemperatur-Wärmeübertrager 28 auf. Der Verdichter 22, der Hochtemperatur-Wärmeübertrager 24, die Expansionseinrichtung 26 und der Niedertemperatur-Wärmeübertrager 28 sind in einem Kreis miteinander verbunden und von einem Arbeitsmittel durchflossen, bei dem es sich um Kohlendioxid handelt.
    Der Hochtemperatur-Wärmeübertrager 24 der Wärmepumpe 18 ist im bodenseitigen Bereich 30 des Speichers 20 angeordnet. Der Speicher 20 ist mit einem Speicherfluid 32 gefüllt, er weist einen nicht gezeichneten Zu- und Ablauf für das Speicherfluid 32 auf.
    Der im bodenseitigen Bereich 30 des Speichers 20 vorgesehene Niedertemperatur-Wärmeübertrager 24 ist z.B. in einem unterseitig offenen, glockenförmigen Behälter 34 angeordnet und als Gegenstrom-Wärmetauscher, vorzugsweise als Kreuzgegenstrom-Wärmetauscher, dimensioniert. An den Behälter 34 schließt oberseitig strömungstechnisch ein Steigrohr 36 an, das sich mit einem Steigrohrabschnitt 38 zum oberseitigen Bereich 40 des Speichers 20 erstreckt. Bei dem mit dem Speicherfluid 32 gefüllten Speicher 20 der Anlage 16 handelt es sich um einen temperaturgeschichteten Speicher, d.h. das erwärmte Speicherfluid 32 wird im Steigrohr 36 thermosiphonisch nach oben transportiert. Das erwärmte Speicherfluid 32 bildet aufgrund seiner relativ geringen Dichte gegenüber dem am bodenseitigen Bereich 30 befindlichen kälteren Speicherfluid 32 im oberseitigen Bereich 40 eine warme Speicherfluidschicht aus. Ohne nennenswerte Durchmischung des warmen mit dem kalten Speicherfluid 32 wird das Speicherfluid 32 im Speicher 20 nach und nach von oben nach unten erwärmt, bis schließlich das warme Speicherfluid 32 auch den bodenseitigen Bereich 30 des Speichers 20 erreicht.
    Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Ausbildung des Speichers 20 in einer der Fig. 2 ähnlichen schematischen Schnittdarstellung. Der Hochtemperatur-Wärmeübertrager 24 ist hierbei als Lamellenrohrbündel-Wärmeübertrager 42 ausgebildet, wie er auch in Fig. 4 in einer perspektivischen Darstellung gezeichnet ist. Derartige Lamellenrohrbündel-Wärmetauscher sind an sich bekannt, so daß hierauf nicht näher eingegangen zu werden braucht.
    Der als Lamellenrohrbündel-Wärmetauscher 42 ausgebildete Hochtemperatur-Wärmeübertrager 24 ist mittels einer Anschlußleitung 44 mit dem Verdichter 22 (sh. Fig. 2) verbunden. Diese Anschlußleitung 44 erstreckt sich vom Steigrohraustritt 38 axial, vorzugsweise koaxial, durch das Steigrohr 36 nach unten in den Behälter 34 hinein und ist dort an den Hochtemperatur-Wärmeübertrager 24 angeschlossen. Der Hochtemperatur-Wärmeäbertrager 24 ist mit der Expansionseinrichtung 26 (sh. Fig. 2) mittels einer Rückleitung 46 verbunden, die - wie aus Fig. 3 ersichtlich ist - eine Rohrschlange 48 aufweist. Diese Rohrschlange 48 ist in Fig. 3 in einer Seitenansicht einfach als Linie und darunter in einer Drauf- bzw. Unteransicht als Schlangenlinie verdeutlicht. Die Rohrschlange 48 ist bei dieser Ausbildung im bodenseitigen Bereich 30 des Speichers 20 unterhalb des Hochtemperatur-Wärmeübertrager 24 und unterhalb des glockenförmigen, unterseitig offenen Behälters 34 angeordnet. Die Rohrschlange 48 kann bspw. auch im Behälter 34 vorgesehen sein.
    Fig. 5 verdeutlicht in einer Block- bzw. Schnitt-Darstellung schematisch eine Ausführungsform der Anlage 16, die eine Wärmepumpe 18 und einen Speicher 20 aufweist. Die Wärmepumpe 18 weist einen Verdichter 22, einen Hochtemperatur-Wärmeübertrager 24, eine Expansionseinrichtung 26 und einen Niedertemperatur-Wärmeübertrager 28 auf. Der Verdichter 22, der Hochtemperatur-Wärmeübertrager 24, die Expansionseinrichtung 26 und der Niedertemperatur-Wärmeübertrager 28 sind in einem Kreis miteinander verbunden und von Kohlendioxid als Arbeitsmittel durchflossen.
    Der Hochtemperatur-Wärmeübertrager 24 der Wärmepumpe 18 ist im bodenseitigen Bereich 30 des Speichers 20 der Anlage 16 angeordnet. Der Speicher 20 ist mit einem Speicherfluid 32 gefüllt, er weist einen nicht gezeichneten Zu- und Ablauf für das Speicherfluid 32 auf.
    Der im bodenseitigen Bereich 30 des Speichers 20 vorgesehene Hochtemperatur-Wärmeübertrager 24 ist in einem unterseitig offenen, glockenförmigen Behälter 34 angeordnet und als Gegenstrom-Wärmetauscher dimensioniert. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um einen sog. Kreuzgegenstrom-Wärmetauscher.
    An den Behälter 34 schließt sich oberseitig ein Steigrohr 36 an, das sich mit einem Steigrohraustritt 38 zum oberseitigen Bereich 40 des Speichers 20 erstreckt. Bei dem mit dem Speicherfluid 32 gefüllten Speicher 20 der Anlage 16 handelt es sich um einen temperaturgeschichteten Speicher, bei welchem das erwärmte Speicherluid 32 im Steigrohr 36 thermosyphonisch nach oben transportiert wird.
    Das erwärmte Speicherfluid 32 bildet aufgrund seiner relativ geringen Dichte gegenüber dem im bodenseitigen Bereich 30 befindlichen kälteren Speicherfluid 32 im oberseitigen Bereich 40 des Speichers 20 eine warme Speicherfluid-Schicht aus. Ohne nennenswerte Durchmischung des warmen mit dem kalten Speicherfluid 32 wird das Speicherfluid 32 im Speicher nach und nach von oben nach unten erwärmt, bis schließlich das warme speicherfluid 32 auch den bodenseitigen Bereich 30 des Speichers 20 erreicht.
    Im Steigrohr 36 ist zur Regelung des Volumenstromes des zu erwärmenden Speicherfluides 32 eine Regelungseinrichtung 50 vorgesehen, bei der es sich um ein Ventil handeln kann.

    Claims (12)

    1. Anlage mit einer Wärmepumpe (18), die einen Verdichter (22), einen Hochtemperatur-Wärmeübertrager (24), eine Expansionseinrichtung (26) und einen Niedertemperatur-Wärmeübertrager (28) aufweist, die in einem Kreis miteinander verbunden und von einem Arbeitsmittel durchflossen sind, und mit einem ein Speicherfluid (32) enthaltenden temperaturgeschichteten Speicher (20), in dessen bodenseitigem Bereich (30) der Hochtemperatur-Wärmeübertrager (24) der Wärmepumpe (18) angeordnet ist,
      dadurch gekennzeichnet,
      daß der Hochtemperatur-Wärmeübertrager (24) ein Gegenstrom-Wärmeübertrager ist, der in einem Behälter (34) vorgesehen ist, an den oberseitig strömungstechnisch ein Steigrohr (36) anschließt, das sich mit einem Steigrohraustritt (38) zum oberseitigen Bereich (40) des Speichers (20) erstreckt, und daß das Arbeitsmittel der Wärmepumpe (18) Kohlendioxid ist.
    2. Anlage nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet,
      daß der Hochtemperatur-Wärmeübertrager (24) ein Kreuzgegenstrom-Wärmeübertrager ist.
    3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2,
      dadurch gekennzeichnet,
      daß der Hochtemperatur-Wärmeübertrager (24) in einem unterseitig offenen, glockenförmigen Behälter (34) vorgesehen ist.
    4. Anlage nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet,
      daß der Hochtemperatur-Wärmeübertrager (24) als Lamellenrohrbündel-Wärmeübertrager (42) ausgebildet ist.
    5. Anlage nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet,
      daß das Steigrohr (36) einen derartigen lichten Innenguerschnitt und eine derartige axiale Längenabmessung besitzt, daß sein thermosiphonischer Strömungs-Druckabfall einen Volumenstrom mit niedriger Austrittstemperatur des Wärmepumpen-Arbeitsmittels und mit hoher Austrittstemperatur des zu erwärmenden Speicherfluides (32) am Steigrohraustritt (38) des Steigrohres (36) aufweist.
    6. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
      dadurch gekennzeichnet,
      daß der Verdichter (22) mittels einer Anschlußleitung (44) mit dem Hochtemperatur-Wärmeübertrager (24) verbunden ist, die sich vom Steigrohraustritt (38) axial durch das Steigrohr (36) nach unten erstreckt.
    7. Anlage nach Anspruch 6,
      dadurch gekennzeichnet,
      daß die Anschlußleitung (44) sich koaxial durch das Steigrohr (36) erstreckt.
    8. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
      dadurch gekennzeichnet,
      daß der Hochtemperatur-Wärmeübertrager (24) mit der Expansionseinrichtung (26) mittels einer Rückleitung (46) verbunden ist, die eine Rohrschlange (48) aufweist.
    9. Anlage nach Anspruch 8,
      dadurch gekennzeichnet,
      daß die Rohrschlange (48) im bodenseitigen Bereich (30) des Speichers (20) unterhalb des Hochtemperatur-Wärmeübertrager (24) und unterhalb des Behälters (34) angeordnet ist.
    10. Anlage nach Anspruch 8 oder 9,
      dadurch gekennzeichnet,
      daß die Rohrschlange (48) in mindestens einer Ebene angeordnet ist, die zum Boden des Speichers (20) mindestens annähernd parallel vorgesehen ist.
    11. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
      dadurch gekennzeichnet,
      daß im Steigrohr (36) zur Regelung des Volumenstromes des zu erwärmenden Speicherfluides (32) eine Regelungseinrichtung (50) vorgesehen ist.
    12. Anlage nach Anspruch 11,
      dadurch gekennzeichnet,
      daß die Regelungseinrichtung (50) den Volumenstrom im Steigrohr (36) derartig regelt, daß sich unabhängig vom Ladezustand des Speichers (20) und/oder unabhängig vom Betriebszustand der Wärmepumpe (18) am Steigrohraustritt (38) eine mindestens annähernd konstante Temperatur des Speicherfluides (32) einstellt.
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