EP1620684B1 - Verfahren zum regeln eines carnot-kreisprozesses sowie anlage zu seiner durchführung - Google Patents

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EP1620684B1
EP1620684B1 EP03729752A EP03729752A EP1620684B1 EP 1620684 B1 EP1620684 B1 EP 1620684B1 EP 03729752 A EP03729752 A EP 03729752A EP 03729752 A EP03729752 A EP 03729752A EP 1620684 B1 EP1620684 B1 EP 1620684B1
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evaporator
expansion valve
working medium
supplementary
compressor
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Felix Kalberer
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    • F25B49/00—Arrangement or mounting of control or safety devices
    • F25B49/02—Arrangement or mounting of control or safety devices for compression type machines, plants or systems

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a Carnot cycle according to the preamble of claim 1 and to a system for carrying out the method according to the preamble of claim 8.
  • Carnot cycles are used to generate higher temperature heat from lower temperature heat and vice versa.
  • the equipment required for this purpose are known as heat pumps and refrigerators.
  • Well-known sources of energy include: refrigerated and freezer rooms, outdoor air, geothermal probes, groundwater, etc.
  • a method for controlling a Carnot cycle for a heat pump and a chiller are for example from DE 34 42 169 A known.
  • the exiting from the evaporator gaseous refrigerant (working fluid) flows through an inner heat exchanger in which the gaseous refrigerant overheats and the condensate is undercooled.
  • the evaporator and the condenser and especially the inner heat exchanger are designed in such a way that the overheating exclusively and the subcooling occur almost exclusively in the inner heat exchanger. The overheating is kept so great that the temperature of the refrigerant reaches a predetermined maximum value after compression.
  • the opening cross-section of the expansion valve is regulated as a function of the temperature of the refrigerant after the compressor and / or the state of the refrigerant at the evaporator outlet. It is disadvantageous that with this device the desired supercooling causes massive overheating of the suction gas in the inner heat exchanger, whereby the compressor lubricating oil tends to coke at too high temperatures and depending on the compressor design, the winding cooling of the drive motor more fully guaranteed. An optimal performance increase is not possible.
  • the object of the invention is to further improve a method for controlling a Carnot cycle and a system for its implementation.
  • the level of the temperature and the pressure of the working fluid can be increased during evaporation compared to the solution according to the prior art, without having to accept a large overheating of the suction gas in purchasing.
  • the overheating can be kept to a minimum, whereby stable conditions of the Carnot cycle can be maintained.
  • the noticeable Level - rise of the temperature and pressure of the steam on the one hand and the cooling of the working fluid before it enters the evaporator on the other hand allow a significant increase in performance of the Carnot cycle process, as more working fluid evaporates and the compressor has to overcome less pressure differences between evaporation and condensation.
  • the compressor requires less power although more suction gas is conveyed.
  • the power increase can be 10 to 30%.
  • any cooling of the condensed working fluid brings about an improvement in the performance of the system.
  • the condensed working fluid in the auxiliary evaporator is cooled to approximately the evaporation temperature.
  • control unit is additionally regulated on the basis of the temperature and / or the pressure of the working medium between the evaporator and the auxiliary evaporator. Also advantageous is a development according to claim 7, according to which the control unit is additionally regulated on the basis of the temperature of the working medium between the compressor and the condenser.
  • control features can be achieved in a system for carrying out the method, in particular a heat pump by design features.
  • a proportional evaporation of the working fluid in the multi-pass additional evaporator is achieved in which the additional evaporator has a correspondingly large heat exchanger surface.
  • Preferred is the embodiment according to claim 9, according to which the additional evaporator 10 to 30%, preferably 15 to 25%, in particular 20% of the heat exchanger surface of the evaporator.
  • the simplest control of the system is given by claim 10, characterized in that the expansion valve is formed thermostatically and by means of a arranged between the auxiliary evaporator and the compressor temperature sensor on the one hand and arranged before or after the additional evaporator pressure line on the other hand.
  • An expedient embodiment of the system is described in claim 11, wherein parallel to the expansion valve, a second expansion valve is arranged, which is controllable by a pressure line and a temperature sensor, which are arranged between the evaporator and the auxiliary evaporator, wherein the first expansion valve of a pressure line and a temperature sensor controllable is, which are arranged between the auxiliary evaporator and the compressor.
  • a second expansion valve is arranged, whose output is connected to a line between the evaporator and the auxiliary evaporator and which is controlled by a pressure line and a temperature sensor which between the Additional evaporator and the compressor are arranged, wherein the first expansion valve of a pressure line and a temperature sensor is controllable, which are arranged between the evaporator and the auxiliary evaporator.
  • the heat pumps illustrated in FIGS. 1, 4, 5 and 6 each contain a working medium circuit 10, in which an evaporator 12, an auxiliary evaporator 14, a compressor 16, a condenser 18 and an expansion valve 20 via lines 10a, 10b, 10c, 10d, 10e and 10f are interconnected.
  • the lines 10f, 10a, 10b form the suction gas side of the cycle with low pressure and the lines 10c, 10d, 10e form the hot gas side, which is under high pressure.
  • the primary sides of the evaporator 12, the auxiliary evaporator 14 and the condenser 18 are each denoted by P and the secondary sides by S, which are used as an addition to the respective reference numeral.
  • the supply line 22 and the discharge line 24 of a heat source are connected.
  • a heat source as a heat carrier, a fluid, such as water, or a gas, such as air, have.
  • a fluid such as water
  • a gas such as air
  • heat sources there are a variety of heat sources in question, such as. the exhaust air of a building or the water of a geothermal probe and the like.
  • the secondary side 12S of the evaporator 12 is connected via the line 10a to the secondary side 14S of the additional evaporator 14, which in turn is connected to the compressor 16 via the line 10b.
  • the line 10c leads to the primary side 18P of the capacitor 18, whose secondary side 18S is connected via the supply line 26 and the discharge line 28 to a heat consumer, not shown, for example, a heating system.
  • the primary side 18P of the condenser 18 is connected via the line 10a to the primary side 14P of the auxiliary evaporator 14. From there, the line 10e leads to the expansion valve 20, which in turn is connected via the line 10f to the secondary side 12S of the evaporator 12.
  • the expansion valve 20 is formed as a thermostatic expansion valve and connected via a line 30 with a temperature sensor 32 which is arranged after the additional evaporator 14 in the line 10b to the compressor 16.
  • a pressure line 34th is also connected to the expansion valve 20 and serves to control a diaphragm of the expansion valve. Since the pressure before and after the auxiliary evaporator 14 is approximately equal, the pressure line 34 can also be connected to the line 10a before the auxiliary evaporator 14, as indicated by the dashed line 34a.
  • the additional evaporator 14 is designed as a multi-pass, for example, multi-channel auxiliary evaporator and dimensioned so that it accomplishes 10 to 30%, preferably 15 to 25% of the total evaporation of the working fluid.
  • the evaporator and the additional evaporator are expediently configured the same as multi-pass evaporators, wherein the additional evaporator 14 according to the evaporation to be created 10 to 30%, preferably 15 to 25% of the heat exchanger surface of the evaporator 12 has.
  • the refrigerant immediately absorbs heat from the source.
  • the expansion valve 12 is controlled and opened via the pressure line 34, whereby more working fluid enters the evaporator 12 and the temperature of the vaporized working fluid is lowered until the set value on the suction gas side of the lines 10 a, 10 b is reached to the compressor 16.
  • the overheating of the suction gas can be maintained at a minimum value of 6 to 7 K.
  • the key data of the heat pump of Figures 1 to 3 are, for example: work equipment R 407c Area of the evaporator 12 5 m 2 Surface of the additional evaporator 14 1 m 2 Performance of the evaporator 12 16.3 kW Performance of the additional evaporator 14 2.8 kW Temperature of the spring water T1 10 ° C T2 6 ° C Temperature of the working fluid T3 2 ° C T4 3 ° C T5 7 ° C T6 65 ° C T7 31 ° C T8 12 ° C Temperature of the heat consumer T9 30 ° C T10 37 ° C
  • a second expansion valve 20a is parallel to it, which is connected via a line 36 with a temperature sensor 38 in the line 10a between the evaporator 12 and the auxiliary evaporator 14.
  • a pressure line 40 connects the line 10a to the expansion valve 20a.
  • This additional expansion valve 20a is used for additional control of the heat pump based on the data of the evaporator 12, wherein then the supply of the working fluid is controlled to the evaporator 12 at the same time.
  • a further expansion valve 20b connected in parallel, the output via the line 42 is not connected to the evaporator 12, but with the connecting line 10a between the evaporator 12 and the auxiliary evaporator 14.
  • This Expansion valve 20b is controlled via the line 30a from the temperature sensor 32 to the auxiliary evaporator 14 and the pressure line 34a, which is also connected to the auxiliary evaporator 14. Excessive overheating of the vaporized working fluid in the conduit 10b causes the expansion valve 20b to open and direct working fluid into the connecting conduit 10a to the auxiliary evaporator 14 to lower the superheat temperature.
  • the first expansion valve 20 controls the working fluid inlet to the secondary side 12S of the evaporator 12 via the line 10f.
  • To control the expansion valve 20 is connected via a line 44 with a temperature sensor 46 in the line 10 a from the evaporator 12 to the auxiliary evaporator 14.
  • a pressure line 48 establishes the connection from the line 10 a to the expansion valve 20, so that the expansion valve 20 responds to the operating state in the line 10 a, ie immediately after the evaporator 12.
  • FIG. 6 shows a heat pump with an electronic control unit 50, which is preferably computer-controlled.
  • This control unit controls the expansion valve 20c via the line 52.
  • the data required for control receives the control unit 50 via a temperature sensor 54 in the line 10b after the additional evaporator 14 via the line 56.
  • After the compressor 16 is another temperature sensor 58 via the line 60th connected to the control unit 50.
  • a further temperature sensor 62 is arranged, which is connected via the line 64 to the control unit 50.
  • a further temperature sensor 66 is finally arranged and connected via the line 68 to the control unit 50.
  • a temperature sensor 70 is connected, which is connected via the line 72 to the control unit 50.
  • the temperature and pressure conditions in the embodiments according to Figures 4 to 6 correspond to those of the embodiment of Figures 1 to 3.
  • the electronic control according to the embodiment of Figure 6 a more subtle control is possible, which allows a reduction of overheating to 4 K.
  • the electronic control also allows an increase in overheating, for example, from 4 K to 15 K when the consumer hotter water, for example 60 ° C from a source of 10 ° C is desired and find the higher hot gas temperatures useful in a storage stratified charge use , in which the water temperature from the condenser is 8 K higher than the condensation temperature.

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Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln eines Carnot-Kreisprozesses gemäss Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens gemäss Oberbegriff des Anspruches 8.
  • Carnot-Kreisprozesse dienen zur Erzeugung von Wärme höherer Temperatur aus Wärme niederer Temperatur und umgekehrt. Die hierzu erforderlichen Anlagen sind als Wärmepumpen und Kältemaschinen bekannt. Bekannte Energiequellen sind beispielsweise: Kühl-Tiefkühlräume, Aussenluft, Erdsonden, Grundwasser usw.
    • Stand der Technik
  • Ein Verfahren zum Regeln eines Carnot-Kreisprozesses für eine Wärmepumpe sowie eine Kältemaschine sind z.B. aus der DE 34 42 169 A bekannt. Das aus dem Verdampfer austretende gasförmige Kältemittel (Arbeitsmittel) durchströmt einen inneren Wärmeaustauscher, in dem das gasförmige Kältemittel überhitzt und das Kondensat unterkühlt werden. Der Verdampfer und der Kondensator und vor allem der innere Wärmetauscher werden dabei derart ausgelegt, dass die Überhitzung ausschliesslich und die Unterkühlung nahezu ausschliesslich in dem inneren Wärmetauscher erfolgen. Die Überhitzung wird dabei so gross gehalten, dass die Temperatur des Kältemittels nach dem Verdichten einen vorgegebenen Maximalwert erreicht. Hierzu wird der Öffnungsquerschnitt des Expansionsventils in Abhängigkeit von der Temperatur des Kältemittels nach dem Verdichter und/oder nach dem Zustand des Kältemittels am Verdampfer-Austritt geregelt. Nachteilig ist es, dass mit dieser Einrichtung die angestrebte Unterkühlung eine massive Überhitzung des Sauggases im inneren Wärmetauscher verursacht, wodurch das Verdichterschmieröl bei zu hohen Temperaturen zur Verkokung neigt und je nach Verdichterbauart die Wicklungskühlung des Antriebsmotors nicht mehr vollständig gewährleistet werden kann. Eine optimale Leistungssteigerung ist nicht möglich.
  • Dokument GB-A-849 158 offenbart ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff Von Anspruch 1.
    • Darstellung der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Regeln eines Carnot-Kreisprozesses sowie eine Anlage zu dessen Durchführung weiter zu verbessern.
  • Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst:
    1. a) bei dem eingangs genannten Verfahren durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1;
    2. b) bei der eingangs genannten Anlage durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 8.
  • Man hat in überraschender Weise herausgefunden, dass sich die Leistung des Carnot-Kreisprozesses und der Anlage zu dessen Durchführung wesentlich verbessern lässt und dies bei gleichzeitig stabilen Kreislaufverhältnissen, wenn der innere Wärmetauscher als mehrpassiger Zusatzverdampfer ausgebildet ist, in dem ein Teil der gesamten Verdampfung des Arbeitsmittels stattfindet. Dadurch kann die Wärmemenge des aus dem Kondensator austretenden kondensierten Arbeitsmittels wesentlich besser genutzt werden, als dies bei einem ausschliesslich auf die Überhitzung ausgelegten inneren Wärmetauscher möglich ist. Dies führt dazu, dass einerseits der Verdampfungsprozess wesentlich verbessert wird und andererseits das kondensierte Arbeitsmittel sehr weit, d.h. praktisch bis auf die Verdampfungstemperatur abgekühlt werden kann, so dass es im Verdampfer sofort zur Wärmeaufnahme zur Verfügung steht. Dies hat wiederum zur Folge, dass das Niveau der Temperatur und des Druckes des Arbeitsmittels beim Verdampfen gegenüber der Lösung nach dem Stand der Technik angehoben werden kann, ohne eine grosse Überhitzung des Sauggases in Kauf nehmen zu müssen. Die Überhitzung kann auf einem Minimum gehalten werden, wodurch stabile Verhältnisse des Carnot-Kreisprozesses beibehalten werden können. Der merkliche Niveau - Anstieg der Temperatur und des Druckes des Dampfes einerseits und die Abkühlung des Arbeitsmittels vor dessen Eintritt in den Verdampfer andererseits ermöglichen eine wesentliche Leistungssteigerung des Carnot-Kreisprozesses, da mehr Arbeitsmittel verdampft und der Verdichter weniger Druckunterschiede zwischen Verdampfen und Kondensieren überwinden muss. Es wird also soviel Energie wie möglich durch den Verdampfungsprozess aus dem Verdampfer und dem Nachverdampfer herausgeholt, um sowenig wie möglich Antriebsenergie für den Verdichter zu benötigen. Damit benötigt der Verdichter weniger Strom obwohl mehr Sauggas gefördert wird. Je nach den im Einzelfall vorliegenden Bedingungen kann die Leistungssteigerung 10 bis 30 % betragen kann.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 7 und bezüglich der Anlage in den Ansprüchen 9 bis 15 angegeben.
  • Besonders vorteilhafte Ergebnisse erhält man, wenn gemäss Anspruch 2 im Zusatzverdampfer 10 bis 30 %, vorzugsweise 15 bis 25 %, insbesondere 20 % der gesamten Verdampfung des Arbeitsmittels stattfindet.
  • Jede Abkühlung des kondensierten Arbeitsmittels bringt eine Verbesserung der Leistung der Anlage besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn gemäss Anspruch 2 das kondensierte Arbeitsmittel in dem Zusatzverdampfer bis ungefähr auf die Verdampfungstemperatur abgekühlt wird.
  • Eine besonders einfache Lösung der Regelung des Carnot-Kreisprozesses beschreibt Anspruch 4, wonach man ein thermostatisches Expansionsventil verwendet und dieses anhand des Druckes des Arbeitsmittels vor oder nach dem Zusatzverdampfer und der Temperatur des Arbeitsmittels zwischen dem Zusatzverdampfer und dem Verdichter regelt. Diese Daten können dann unmittelbar an das thermostatische Expansionsventil weiter gegeben werden und den Carnot-Kreisprozess regeln. Eine subtilere Regelung ist möglich, wenn nach Anspruch 5 eine Regeleinheit verwendet wird, die ein elektronisches Expansionsventil regelt, wobei man die Regeleinheit mindestens anhand eines Druckfühlers vor oder nach dem Zusatzverdampfer sowie der Temperatur des Arbeitsmittels zwischen dem Zusatzverdampfer und dem Verdichter regelt. Diese Regelung lässt sich verfeinern, wenn man gemäss Anspruch 6 die Regeleinheit zusätzlich anhand der Temperatur und/oder des Druckes des Arbeitsmittels zwischen dem Verdampfer und dem Zusatzverdampfer regelt. Vorteilhaft ist auch eine Weiterbildung nach Anspruch 7, wonach man die Regeleinheit zusätzlich anhand der Temperatur des Arbeitsmittels zwischen dem Verdichter und dem Kondensator regelt.
  • Die oben beschriebenen regelungstechnischen Merkmale lassen sich bei einer Anlage zur Durchführung des Verfahrens, insbesondere einer Wärmepumpe durch konstruktive Merkmale erzielen. Eine anteilige Verdampfung des Arbeitsmittels im mehrpassigen Zusatzverdampfer erzielt man, in dem der Zusatzverdampfer eine entsprechend grosse Wärmetauscherfläche aufweist. Bevorzugt ist die Ausbildung nach Anspruch 9, wonach der Zusatzverdampfer 10 bis 30 %, vorzugsweise 15 bis 25 %, insbesondere 20 % der Wärmetauscherfläche des Verdampfers aufweist.
  • Die einfachste Regelung der Anlage ist nach Anspruch 10 dadurch gegeben, dass das Expansionsventil thermostatisch ausgebildet ist und mittels eines zwischen dem Zusatzverdampfer und dem Verdichter angeordneten Temperaturfühlers einerseits und einer vor oder nach dem Zusatzverdampfer angeordneten Druckleitung andererseits geregelt wird. Eine zweckmässige Ausgestaltung der Anlage beschreibt Anspruch 11, wonach parallel zum Expansionsventil ein zweites Expansionsventil angeordnet ist, welches von einer Druckleitung und einem Temperaturfühler regelbar ist, die zwischen dem Verdampfer und dem Zusatzverdampfer angeordnet sind, wobei das erste Expansionsventil von einer Druckleitung und einem Temperaturfühler regelbar ist, die zwischen dem Zusatzverdampfer und dem Verdichter angeordnet sind. Es kann weiter zweckmässig sein, die Anlage nach Anspruch 12 auszugestalten, wonach zusätzlich zum Expansionsventil ein zweites Expansionsventil angeordnet ist, dessen Ausgang mit einer Leitung zwischen dem Verdampfer und dem Zusatzverdampfer verbunden ist und welches von einer Druckleitung und einem Temperaturfühler regelbar ist, die zwischen dem Zusatzverdampfer und dem Verdichter angeordnet sind, wobei das erste Expansionsventil von einer Druckleitung und einem Temperaturfühler regelbar ist, die zwischen dem Verdampfer und dem Zusatzverdampfer angeordnet sind. Durch diese Ausgestaltung ist es möglich, eine Teilmenge des kondensierten Arbeitsmittels unter Umgehung des Verdampfers direkt dem Zusatzverdampfer zuzuführen.
  • Eine subtilere Regelung lässt sich erzielen, wenn die Anlage nach Anspruch 13 mit einer elektronischen Regeleinheit versehen ist, die vorzugsweise rechnergesteuert ist. Dies erfordert ein ebenfalls elektronisch steuerbares Expansionsventil. An der Regeleinheit ist ein Temperaturfühler angeschlossen, der zwischen dem Zusatzverdampfer und dem Verdichter liegt. Ferner kann ein vor und/oder nach dem Zusatzverdampfer angeordneter Druckfühler die Regeleigenschaften der Regeleinheit verbessern. Eine weitere Verfeinerung des Regelsystems ergibt sich, wenn an der Regeleinheit nach Anspruch 14 mindestens einer der folgenden Druck- und/oder Temperaturfühler angeschlossen sind/ist:
    1. a) zwischen dem Verdichter und dem Kondensator
    2. b) zwischen dem Verdampfer und dem Zusatzverdampfer.
  • Das erfindungsgemässe optimierte Regel-Verfahren eines Carnot-Kreisprozesses entfaltet seine Vorteile generell bei Kältemaschinen wie bei Wärmepumpen, wobei letztere gemäss Anspruch 15 besonders bevorzugt sind.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Als Wärmepumpen ausgestaltete Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben, dabei zeigen:
    • Figur 1
    das Blockschema einer ersten Wärmepumpe;
    Figur 2
    das Temperatur-Diagramm der Wärmepumpe der Figur 1;
    Figur 3
    das Druck-Diagramm der Wärmepumpe der Figur 1;
    Figur 4
    das Blockschema einer zweiten Wärmepumpe;
    Figur 5
    das Blockschema einer dritten Wärmepumpe;
    Figur 6
    das Blockschema einer vierten Wärmepumpe.
    Wege zur Ausführung der Erfindung
  • Die in den Figuren 1, 4, 5 und 6 dargestellten Wärmepumpen enthalten jeweils einen Arbeitsmittelkreislauf 10, in dem ein Verdampfer 12, ein Zusatzverdampfer 14, ein Verdichter 16, ein Kondensator 18 sowie ein Expansionsventil 20 über Leitungen 10a,10b,10c,10d,10e und 10f miteinander verbunden sind. Die Leitungen 10f,10a,10b bilden die Sauggasseite des Kreisprozesses mit Niederdruck und die Leitungen 10c,10d,10e bilden die Heissgasseite, die unter Hochdruck steht. Die Primärseiten des Verdampfers 12, des Zusatzverdampfers 14 und des Kondensators 18 sind jeweils mit P bezeichnet und die Sekundärseiten mit S, die als Zusatz zum jeweiligen Bezugszeichen verwendet werden.
  • An der Primärseite 12P des Verdampfers 12 sind die Zuleitung 22 und die Ableitung 24 einer nicht näher dargestellten Wärmequelle angeschlossen. Eine solche Wärmequelle kann als Wärmeträger ein Fluid, wie beispielsweise Wasser, oder ein Gas, wie beispielsweise Luft, aufweisen. Es kommen die verschiedensten Wärmequellen in Frage, wie z.B. die Abluft eines Gebäudes oder das Wasser einer Erdsonde und dergleichen. Die Sekundärseite 12S des Verdampfers 12 ist über die Leitung 10a mit der Sekundärseite 14S des Zusatzverdampfers 14 verbunden, die ihrerseits über die Leitung 10b an den Verdichter 16 angeschlossen ist. Die Leitung 10c führt zur Primärseite 18P des Kondensators 18, dessen Sekundärseite 18S über die Zuleitung 26 und die Ableitung 28 mit einem nicht näher dargestellten Wärmeverbraucher beispielsweise einer Heizanlage verbunden ist. Die Primärseite 18P des Kondensators 18 ist über die Leitung 10a an die Primärseite 14P des Zusatzverdampfers 14 angeschlossen. Von dort führt die Leitung 10e zum Expansionsventil 20, das wiederum über die Leitung 10f mit der Sekundärseite 12S des Verdampfers 12 verbunden ist.
  • Zum Regeln des Carnot-Kreisprozesses dieser Wärmepumpe ist gemäss dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 das Expansionsventil 20 als thermostatisches Expansionsventil ausgebildet und über eine Leitung 30 mit einem Temperaturfühler 32 verbunden, der nach dem Zusatzverdampfer 14 in der Leitung 10b zum Verdichter 16 angeordnet ist. An der Leitung 10b ist auch eine Druckleitung 34 angeschlossen, die zum Expansionsventil 20 führt und zum Steuern einer Membrane des Expansionsventils dient. Da der Druck vor und nach dem Zusatzverdampfer 14 annähernd gleich ist, kann die Druckleitung 34 auch an die Leitung 10a vor dem Zusatzverdampfer 14 angeschlossen werden, wie dies die gestrichelte Leitung 34a andeutet. Der Zusatzverdampfer 14 ist als mehrpassiger, zum Beispiel mehrkanaliger Zusatzverdampfer ausgestaltet und so dimensioniert, dass er 10 bis 30 %, vorzugsweise 15 bis 25 % der gesamten Verdampfung des Arbeitsmittels bewerkstelligt. Der Verdampfer und der Zusatzverdampfer sind zweckmässiger Weise gleich als mehrpassige Verdampfer ausgestaltet, wobei der Zusatzverdampfer 14 entsprechend der zu erstellenden Verdampfung 10 bis 30 %, vorzugsweise 15 bis 25 % der Wärmetauscherfläche des Verdampfers 12 aufweist.
  • Die Wirkungsweise und die Regelung des Carnot-Kreisprozesses der Wärmepumpe der Figur 1 wird nachfolgend anhand der Zustanddiagramme 1 a-1-2-3a-3-4-1 des Temperatur-Diagramms der Figur 2 und des Druck-Diagramms der Figur 3 näher beschrieben. Als Wärmequelle für die Wärmepumpe der Figur 1 dient z.B. Grundwasser, das mit der Temperatur T1 = 10° C in die Primärseite 12P des Verdampfers 12 eintritt und diesen mit der Temperatur T2 = 6° C verlässt. Auf der Sekundärseite 12S des Verdampfers 12 tritt ein Arbeitsmittel, das z.B. das Mehrstoff-Kältemittel R407c ist, mit einer Temperatur von T3 = 2° C ein und wird dort auf die Temperatur T4 = 3° C erwärmt. Im Zusatzverdampfer 14 wird das im Verdampfer 12 teilweise verdampfte Arbeitsmittel vollständig verdampft und von der Temperatur T4 = 3° C auf die Temperatur T5 = 7° C angehoben. Diese Temperaturerhöhung wird durch das aus der Primärseite 18P des Kondensators 18 mit der Temperatur T7 = 31 ° C austretende kondensierte Arbeitsmittel erreicht, welches in der Primärseite 14P des Zusatzverdampfer 14 auf die Temperatur T8 = 12° C abgekühlt wird. Durch die Expansion des kondensierten Arbeitsmittels am Expansionsventil 20 kühlt das Arbeitsmittel weiter von T8 = 12° C auf T3 = 2° C ab, die der Verdampfungstemperatur entspricht. Damit nimmt das Kältemittel sofort Wärme aus der Quelle auf. Falls der Temperaturfühler 32 eine zu grosse Überhitzung feststellt, die mit keinem Druckanstieg verbunden ist, so wird das Expansionsventil 12 über die Druckleitung 34 angesteuert und geöffnet, wodurch mehr Arbeitsmittel in den Verdampfer 12 eintritt und die Temperatur des verdampften Arbeitsmittels absenkt bis der eingestellte Wert an der Sauggasseite der Leitungen 10a,10b bis zum Verdichter 16 erreicht ist. Dadurch wird eine übermässige Überhitzung des Sauggases und damit des Verdichters 16 vermieden, das heisst, die Überhitzung des Sauggases kann auf einem minimalen Wert von 6 bis 7 K gehalten werden.
  • Die Eckdaten der Wärmepumpe der Figuren 1 bis 3 sind beispielsweise:
    Arbeitsmittel R 407c
    Fläche des Verdampfers 12 5 m2
    Fläche des Zusatzverdampfers 14 1 m2
    Leistung des Verdampfers 12 16,3 kW
    Leistung des Zusatzverdampfers 14 2,8 kW
    Temperatur des Quellwassers T1 10 °C
    T2 6 °C
    Temperatur des Arbeitsmittels T3 2 °C
    T4 3 °C
    T5 7 °C
    T6 65 °C
    T7 31 °C
    T8 12 °C
    Temperatur des Wärmeverbrauchers T9 30 °C
    T10 37 °C
  • Beim Ausführungsbeispiel der Figur 4 ist neben dem ersten Expansionsventil 20 parallel dazu ein zweites Expansionsventil 20a angeordnet, das über eine Leitung 36 mit einem Temperaturfühler 38 in der Leitung 10a zwischen dem Verdampfer 12 und dem Zusatzverdampfer 14 angeschlossen ist. Eine Druckleitung 40 verbindet die Leitung 10a mit dem Expansionsventil 20a. Dieses zusätzliche Expansionsventil 20a dient zur zusätzlichen Steuerung der Wärmepumpe anhand der Daten des Verdampfers 12, wobei dann gleichzeitig auch die Zuführung des Arbeitsmittels zum Verdampfer 12 gesteuert wird.
  • Beim Ausführungsbeispiel der Figur 5 ist zusätzlich zum Expansionsventil 20 ein weiteres Expansionsventil 20b parallel geschaltet, dessen Ausgang über die Leitung 42 nicht mit dem Verdampfer 12 verbunden ist, sondern mit der Verbindungsleitung 10a zwischen dem Verdampfer 12 und dem Zusatzverdampfer 14. Dieses Expansionsventil 20b wird über die Leitung 30a vom Temperaturfühler 32 nach dem Zusatzverdampfer 14 und der Druckleitung 34a, die ebenfalls nach dem Zusatzverdampfer 14 angeschlossen ist, gesteuert. Bei einer zu starken Überhitzung des verdampften Arbeitsmittels in der Leitung 10b öffnet das Expansionsventil 20b und führt Arbeitsmittel direkt in die Verbindungsleitung 10a zum Zusatzverdampfer 14, um die Überhitzungs-Temperatur zu senken. Das erste Expansionsventil 20 steuert den Arbeitsmittelzulauf zur Sekundärseite 12S des Verdampfers 12 über die Leitung 10f. Zur Steuerung ist das Expansionsventil 20 über eine Leitung 44 mit einem Temperaturfühler 46 in der Leitung 10a vom Verdampfer 12 zum Zusatzverdampfer 14 verbunden. Eine Druckleitung 48 stellt die Verbindung von der Leitung 10a zum Expansionsventil 20 her, so dass das Expansionsventil 20 auf den Betriebszustand in der Leitung 10a, also unmittelbar nach dem Verdampfer 12 anspricht.
  • Die Figur 6 zeigt eine Wärmepumpe mit einer elektronischen Regeleinheit 50, die vorzugsweise Computer gesteuert ist. Diese Regeleinheit steuert das Expansionsventil 20c über die Leitung 52. Die zur Regelung erforderlichen Daten erhält die Regeleinheit 50 über einen Temperaturfühler 54 in der Leitung 10b nach dem Zusatzverdampfer 14 über die Leitung 56. Nach dem Verdichter 16 ist ein weiterer Temperaturfühler 58 über die Leitung 60 an der Regeleinheit 50 angeschlossen. In der Leitung 10d zwischen dem Kondensator 18 und dem Zusatzverdampfer 14 ist ein weiterer Temperaturfühler 62 angeordnet, der über die Leitung 64 mit der Regeleinheit 50 verbunden ist. In der Leitung 10e zwischen dem Zusatzverdampfer 14 und dem Expansionsventil 20c ist schliesslich ein weiterer Temperaturfühler 66 angeordnet und über die Leitung 68 mit der Regeleinheit 50 verbunden. In der Leitung 10a zwischen dem Verdampfer 12 und dem Zusatzverdampfer 14 ist wiederum ein Temperaturfühler 70 angeschlossen, der über die Leitung 72 mit der Regeleinheit 50 verbunden ist. Ferner ist ein Druckfühler 74 und/oder 74a in der Leitung 10a und/oder der Leitung 10b, das heisst also vor und/oder nach dem Zusatzverdampfer 14 vorhanden, der über die Leitung 76 und/oder 76a mit der Regeleinheit 50 verbunden ist. Dadurch ist eine subtile Regelung der Wärmepumpe anhand zahlreicher Parameter längs des Arbeitsmittelkreislaufs möglich, die einerseits eine Regelung in engen Grenzen gestattet und sich andererseits sehr schnell an veränderte Daten anpasst. Dies ist insbesondere bei Wärmequellen von Bedeutung, die starke Schwankungen und/oder einen geringen Energiegehalt aufweisen, wie dies beispielsweise für Luft der Fall ist.
  • Die Temperatur- und Druckverhältnisse bei den Ausführungsbeispielen gemäss den Figuren 4 bis 6 entsprechen jenen des Ausführungsbeispieles der Figuren 1 bis 3. Im Gegensatz zur thermostatischen Regelung des Expansionsventils gemäss den Figuren 1 bis 5, bei denen die Überhitzung des Sauggases auf 6 bis 7 K gehalten werden kann, ist mit der elektronischen Regelung gemäss dem Ausführungsbeispiel der Figur 6 eine subtilere Regelung möglich, die eine Reduzierung der Überhitzung auf 4 K ermöglicht. Andererseits gestattet die elektronische Regelung auch eine Anhebung der Überhitzung beispielsweise von 4 K auf 15 K, wenn beim Verbraucher heisseres Wasser von beispielsweise 60° C aus einer Quelle von 10° C gewünscht wird und dabei die höheren Heissgastemperaturen nutzbringend bei einer Speicher-Schichtladung Verwendung finden, in dem die Wassertemperatur aus dem Kondensator um 8 K höher liegen als die Kondensationstemperatur.
  • Mit der erfindungsgemässen Regelung des Carnot-Kreisprozesses ist es möglich, das Arbeitsmittel im Zusatzverdampfer bis an die Verdampfungstemperatur abzukühlen, das heisst beispielsweise um mindestens 20 K, was einer Steigerung der Leistung um mindestens 12 bis 15% entspricht. Das bis nahe an die Verdampfungstemperatur abgekühlte Arbeitsmittel bringt keine Energie in den Verdampfer, sondern die gesamte Verdampferfläche holt die notwendige Verdampfungsenergie von der zur Verfügung stehenden Wärmequelle. Dies steht ganz im Gegensatz zu dem aus der DE 34 42 169 A bekannten Sauggaserhitzer, der das Arbeitsmittel bestenfalls um 3 bis 8 K abkühlen kann, was bestenfalls einer Steigerung der Leistung um 2 bis 4 % entspricht. Daraus resultiert eine Leistungssteigerung der erfindungsgemässen Regelung beziehungsweise Anlage von mindestens 12 bis 15 % gegenüber der Lösung nach dem Stand der Technik.
    • Bezugszeichenliste
    • 10
    Arbeitskreislauf
    10a
    Leitung
    10b
    Leitung
    10c
    Leitung
    10d
    Leitung
    10e
    Leitung
    10f
    Leitung
    12
    Verdampfer
    14
    Zusatzverdampfer
    16
    Verdichter
    18
    Kondensator
    20
    Expansionsventil
    20a
    Expansionsventil
    20b
    Expansionsventil
    20c
    Expansionsventil
    22
    Zuleitung
    24
    Ableitung
    26
    Zuleitung
    28
    Ableitung
    30
    Leitung
    30a
    Leitung
    32
    Temperaturfühler
    34
    Druckleitung
    34a
    Druckleitung
    36
    Leitung
    38
    Temperaturfühler
    40
    Druckleitung
    42
    Leitung
    44
    Leitung
    46
    Temperatur
    48
    Druckleitung
    50
    Regeleinheit
    52
    Leitung
    54
    Temperaturfühler
    56
    Leitung
    58
    Temperaturfühler
    60
    Leitung
    62
    Temperaturfühler
    64
    Leitung
    66
    Temperaturfühler
    68
    Leitung
    70
    Temperaturfühler
    72
    Leitung
    74
    Druckfühler
    74a
    Druckfühler
    76
    Leitung
    76a
    Leitung

Claims (15)

  1. Verfahren zum Regeln eines Carnot-Kreisprozesses einer Anlage, wobei in einem Arbeitsmittelkreislauf mindestens Folgendes angeordnet ist: ein Verdichter (16), ein Kondensator (18), ein Expansionsventil (20,20a,20b,20c) und ein Verdampfer (12) sowie ein innerer Wärmetauscher (14), der von dem aus dem Kondensator (18) austretenden kondensierten Arbeitsmittel und von dem aus dem Verdampfer (12) austretenden Arbeitsmittel durchströmt wird und in dem das gasförmige Arbeitsmittel überhitzt und das kondensierte Arbeitsmittel unterkühlt werden, wobei die Überhitzung des Arbeitsmittels mittels des Expansionsventils (20,20a,20b,20c) geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass man 10 bis 30 % der gesamten Verdampfung des Arbeitsmittels in dem als mehrpassigen Zusatzverdampfer (14) ausgebildeten inneren Wärmetauscher durchführt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man 15 bis 25 % der gesamten Verdampfung des Arbeitsmittels im Zusatzverdampfer (14) durchführt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man das kondensierte Arbeitsmittel in dem Zusatzverdampfer (14) bis ungefähr auf seine Verdampfungstemperatur abkühlt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass man ein thermostatisches Expansionsventil (20,20a,20b) verwendet und dieses anhand des Druckes des Arbeitsmittels vor oder nach dem Zusatzverdampfer (14) und der Temperatur des Arbeitsmittels zwischen dem Zusatzverdampfer (14) und dem Verdichter (16) regelt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass man ein durch eine Regeleinheit (50) geregeltes Expansionsventil (20c) verwendet, wobei man die Regeleinheit mindestens anhand eines Druckfühlers (74,74a) vor oder nach dem Zusatzverdampfer (14) sowie der Temperatur des Arbeitsmittels zwischen dem Zusatzverdampfer (14) und dem Verdichter (16) regelt.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass man die Regeleinheit (50) zusätzlich anhand der Temperatur und/oder des Druckes des Arbeitsmittels zwischen dem Verdampfer (12) und dem Zusatzverdampfer (14) regelt.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass man die Regeleinheit (50) zusätzlich anhand der Temperatur und/oder des Druckes des Arbeitsmittels zwischen dem Verdichter (16) und dem Kondensator (18) regelt.
  8. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einem Arbeitsmittelkreislauf, in dem mindestens Folgendes angeordnet ist: ein Verdichter (16), ein Kondensator (18), ein Expansionsventil (20,20a,20b,20c) und ein Verdampfer (12), sowie ein innerer Wärmetauscher (14), der von dem aus dem Kondensator (18) austretenden kondensierten Arbeitsmittel und von dem aus dem Verdampfer (12) austretenden Arbeitsmittel durchströmt wird und in dem das gasförmige Arbeitsmittel überhitzt und das kondensierte Arbeitsmittel gekühlt werden, wobei die Überhitzung des Arbeitsmittels mittels des Expansionsventils (20,20a,20b,20c) regelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Wärmetauscherflächer (14) als mehrpassiger Zusatzverdampfer ausgebildet ist, und, dass der Zusatzverdampfer (14) 10 bis 30 % der Wärmetauscherfläche des Verdampfers (12) aufweist.
  9. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzverdampfer (14) 15 bis 25 % der Wärmetauscherfläche des Verdampfers (12) aufweist.
  10. Anlage nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Expansionsventil (20,20a,20b) thermostatisch ausgebildet und mittels eines zwischen dem Zusatzverdampfer (14) und dem Verdichter (16) angeordneten Temperaturfühlers (32) und einer vor oder nach dem Zusatzverdampfer (14) angeschlossenen Druckleitung (34,34a) regelbar ist.
  11. Anlage nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum Expansionsventil (20) ein zweites Expansionsventil (20a) angeordnet ist, welches von einer Druckleitung (40) und einem Temperaturfühler (38) regelbar ist, die zwischen dem Verdampfer (12) und dem Zusatzverdampfer (14) angeordnet sind, wobei das erste Expansionsventil (20) von einer Druckleitung (34) und einem Temperaturfühler (32) regelbar ist, die zwischen dem Zusatzverdampfer (14) und dem Verdichter (16) angeordnet sind (Figur 4).
  12. Anlage nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zum Expansionsventil (20) ein zweites Expansionsventil (20b) angeordnet ist, dessen Ausgang mittels einer Leitung (42) zwischen dem Verdampfer (12) und dem Zusatzverdampfer (14) verbunden ist und welches von einer Druckleitung (34a) und einem Temperaturfühler (32) regelbar ist, die zwischen dem Zusatzverdampfer (14) und dem Verdichter (16) angeordnet sind, wobei das erste Expansionsventil (20) von einer Druckleitung (48) und einem Temperaturfühler (46) regelbar ist, die zwischen dem Verdampfer (12) und dem Zusatzverdampfer (14) angeordnet sind (Figur 5).
  13. Anlage nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Expansionsventil (20c) mittels einer elektronischen Regeleinheit (50) regelbar ist, an der mindestens ein zwischen dem Zusatzverdampfer (14) und dem Verdichter (16) angeordneter Temperaturfühler (54) sowie ein vor und/oder nach dem Zusatzverdampfer (14) angeordneter Druckfühler (74,74a) angeschlossen sind.
  14. Anlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass an der Regeleinheit (50) mindestens einer der folgenden Druck- und/oder Temperaturfühler (58,70) angeschlossen sind/ist:
    a) zwischen Verdichter (16) und Kondensator (18);
    b) zwischen Verdampfer (12) und Zusatzverdampfer (14).
  15. Anlage nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Wärmepumpe ausgebildet ist.
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