EP2345858A2 - Wärmepumpenvorrichtung - Google Patents

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EP2345858A2
EP2345858A2 EP10015257A EP10015257A EP2345858A2 EP 2345858 A2 EP2345858 A2 EP 2345858A2 EP 10015257 A EP10015257 A EP 10015257A EP 10015257 A EP10015257 A EP 10015257A EP 2345858 A2 EP2345858 A2 EP 2345858A2
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EP
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refrigerant
expansion valve
compressor
heat pump
electronic expansion
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EP10015257A
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Steffen Smollich
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Stiebel Eltron GmbH and Co KG
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Stiebel Eltron GmbH and Co KG
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    • F25B2600/00—Control issues
    • F25B2600/25—Control of valves
    • F25B2600/2509—Economiser valves

Definitions

  • the present invention relates to a heat pump device.
  • Heat pumps are typically used to heat heating water or hot water.
  • the liquefied refrigerant is then expanded in a throttle body and evaporated while absorbing ambient heat in the evaporator.
  • the vaporized refrigerant is compressed by the compressor of the heat pump and liquefied in the condenser of the heat pump.
  • scroll compressors can be used with a steam injection in heat pumps.
  • the steam injection proves to be advantageous in that the heating power does not decrease as much as in a compressor without steam injection when the heat source temperature decreases.
  • Steam injection compressors are advantageous over liquid injection compressors because steam injection is more efficient than, for example, liquid injection.
  • the steam injection in a scroll compressor is performed such that the liquid refrigerant is throttled by an expansion valve and then evaporated in a heat exchanger or an economizer and overheated.
  • the superheated refrigerant is then injected into the compressor.
  • injection of slightly superheated refrigerant is more efficient than liquid refrigerant injection.
  • an additional solenoid valve must be placed in front of the expansion valve, which is closed at standstill to prevent liquid refrigerant from shifting in the compressors.
  • Fig. 2 shows a refrigerant circuit of a heat pump according to the prior art.
  • the refrigeration cycle includes a compressor 10, a condenser 20, an evaporator 30, a solenoid valve 40, a thermostatic expansion valve 50, an economizer 60 and an expansion valve 70.
  • the solenoid valve 40 is disposed in front of the expansion valve 50 and serves to prevent liquid refrigerant from entering the compressor 10 when the heat pump is at a standstill.
  • the thermostatic expansion valve 50, a solenoid valve 40 is connected upstream.
  • the solenoid valve 40 is closed at standstill to ensure that no liquid refrigerant enters the compressor during standstill.
  • refrigerant is evaporated in the evaporator 30; the vaporized refrigerant is compressed in the compressor 10 and thus heated.
  • the high-pressure refrigerant releases its heat in the condenser 20, for example, to heating water and condenses. Thereafter, the refrigerant is throttled into the expansion valve 50 and is then evaporated again in the evaporator 30.
  • the field of application of, for example, air / water heat pumps is limited, for example, by the hot gas temperature at low outside temperatures and high heating flow temperatures. If the hot gas temperature or the compression end temperature is too high (for example, greater than 120 ° C), thermal destruction of the oil in the compressor may occur, thereby reducing the lubrication of the compressor.
  • the invention relates to the idea of providing an electronic expansion valve for the steam injection in the refrigeration circuit instead of a thermostatic expansion valve.
  • the refrigerant flows to the condenser 20 and from the condenser to the economizer, which serves as a heat exchanger.
  • the economizer 60 By means of the economizer 60, a steam injection into the compressor 10 can be made possible.
  • vapor refrigerant is injected into the compressor, i. the refrigerant is slightly overheated.
  • the liquid refrigerant (which has been liquefied by the condenser 20) is supplied to the electronic expansion valve 80, then the thermal energy of the refrigerant is used by means in the economizer 60 to overheat the refrigerant to be injected.
  • Fig. 1 shows a refrigerant circuit of a heat pump device according to a first embodiment.
  • a compressor 10 In the refrigerant circuit is a compressor 10, a condenser 20, an economizer 60, an electronic expansion valve 80, a further expansion valve 70 and an evaporator 30 are provided.
  • the function of the compressor, the condenser, the economizer, the expansion valve 70 and the evaporator 30 corresponds to the arrangement and function of the compressor, condenser, economizer, expansion valve and evaporator according to Fig. 2 ,
  • the control required for the electronic expansion valve 80 may be based on measured values of an evaporator outlet pressure sensor and on measured values of a temperature sensor for detecting the suction gas temperature. With the help of the electronic expansion valve 80, the overheating of a refrigerant can thus be regulated accordingly. Since the steam injection takes place in an area with an average pressure, which is present between the high pressure and the low pressure, it can be assumed that the corresponding mean pressure should also be the same for the same high and low pressure and for the same overheating. Therefore, when the high and low pressures are measured by means of pressure sensors in the refrigerant circuit, the mean pressure of the steam injection for a defined superheat can also be calculated.
  • the overheating of the refrigerant can be detected by measuring the temperature of the injected refrigerant and the calculated mean pressure without another pressure sensor, especially if they are available for an electronic expansion valve 70.
  • the electronically controlled expansion valve 80 it is possible to regulate how much refrigerant flows through the economizer 60, for example, by opening the expansion valve beyond the calculated opening degree for a defined overheating, more refrigerant can flow through the economizer, so that the refrigerant is no longer sufficiently overheated and injected into the compressor 10 with portions of the liquid phase.
  • the hot gas temperature can be reduced.
  • the field of application of the heat pump can also be extended, especially at low evaporation and high condensation temperatures which typically exceeds the critical hot gas temperature. If the hot gas temperature is exceeded, the system switches over from an overheat control to a hot gas temperature control.

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Abstract

Bei einer Wärmepumpenvorrichtung mit einem Verdichter (10), einem Verflüssiger (20), einem Economiser (60), einem Verdampfer (30) und einem elektronischen Expansionsventil zur Dampfeinspritzung in den Verdichter (80), wird das elektronische Expansionsventil im Stillstand der Wärmepumpenvorrichtung geschlossen und das elektronische Expansionsventil (80) zur Regelung der Überhitzung des Kältemittels gesteuert. Der Druck des eingespritzten Kältemittels zur Berechnung der Überhitzung wird aus dem Hoch- und Niederdruck berechnet. Sollte bei der Wärmepumpe die Heißgastemperatur in einen Kritischen Bereich kommen, kann durch ein weiteres Öffnen des Expansionsventils über den berechneten Öffnungsgrad hinaus anteilig flüssiges Kältemittel eingespritzt werden und damit die Heißgastemperatur begrenzt bzw. gesenkt werden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmepumpenvorrichtung.
  • Wärmepumpen werden typischerweise zur Erwärmung von Heizungswasser oder Warmwasser verwendet. Hierbei erfolgt eine Kondensation des Kältemittels im Kältemittelkreis unter hohem Druck und bei einer hohen Temperatur, und die Wärme wird an ein Wärmeträgermedium wie beispielsweise Heizungswasser abgegeben. Das verflüssigte Kältemittel wird anschließend in einem Drosselorgan entspannt und verdampft unter Aufnahme von Umgebungswärme im Verdampfer. Das verdampfte Kältemittel wird von dem Verdichter der Wärmepumpe komprimiert und im Kondensator der Wärmepumpe verflüssigt.
  • Als Verdichter können beispielsweise Scroll-Verdichter mit einer Dampfeinspritzung in Wärmepumpen verwendet werden. Die Dampfeinspritzung erweist sich dahingehend als vorteilhaft, dass die Heizleistung nicht so stark wie bei einem Verdichter ohne Dampfeinspritzung abnimmt, wenn die Wärmequellentemperatur sinkt. Verdichter mit Dampfeinspritzung sind vorteilhaft im Vergleich zu Verdichtern mit Flüssigkeitseinspritzung, weil die Dampfeinspritzung effizienter ist als z.B eine Flüssigkeitseinspritzung.
  • Die Dampfeinspritzung bei einem Scroll-Verdichter erfolgt derart, dass das flüssige Kältemittel durch ein Expansionsventil gedrosselt und anschließend in einem Wärmeübertrager bzw. einem Economiser verdampft und überhitzt wird. Das überhitzte Kältemittel wird anschließend in den Verdichter eingespritzt. Wie bereits vorstehend angeführt, ist eine Einspritzung von leicht überhitztem Kältemittel effizienter als eine Einspritzung von flüssigem Kältemittel. Wenn sich die Wärmepumpe im Stillstand befindet, muss vor dem Expansionsventil ein zusätzliches Magnetventil platziert werden, welches im Stillstand geschlossen ist, um zu verhindern, dass flüssiges Kältemittel sich in den Verdichtern verlagert.
  • Fig. 2 zeigt einen Kältekreis einer Wärmepumpe gemäß dem Stand der Technik. Der Kältekreis weist einen Verdichter 10, einen Verflüssiger 20, einen Verdampfer 30, ein Magnetventil 40, ein thermostatisches Expansionsventil 50, einen Economiser 60 und ein Expansionsventil 70 auf. Das Magnetventil 40 ist vor dem Expansionsventil 50 angeordnet und dient dazu, zu verhindern, dass flüssiges Kältemittel in den Verdichter 10 eintreten kann, wenn die Wärmepumpe sich im Stillstand befindet. Somit wird dem thermostatischen Expansionsventil 50 ein Magnetventil 40 vorgeschaltet. Das Magnetventil 40 wird im Stillstand geschlossen, um sicherzustellen, dass während des Stillstandes kein flüssiges Kältemittel in den Verdichter kommt. Durch die Wärmezufuhr auf einem niedrigen Temperaturniveau wird Kältemittel in dem Verdampfer 30 verdampft; das verdampfte Kältemittel wird in dem Verdichter 10 verdichtet und somit erhitzt. Das unter hohem Druck stehende Kältemittel gibt seine Wärme in dem Verflüssiger 20 beispielsweise an Heizungswasser ab und kondensiert dabei. Danach wird das Kältemittel in den Expansionsventil 50 gedrosselt und wird anschliessend in dem Verdampfer 30 wieder verdampft.
  • Der Einsatzbereich von beispielsweise Luft-/Wasserwärmepumpen wird bei tiefen Außentemperaturen und hohen Heizungsvorlauftemperaturen beispielsweise von der Heißgastemperatur begrenzt. Wenn die Heißgastemperatur bzw. die Verdichtungsendtemperatur zu hoch ist (beispielsweise größer 120°C), kann eine thermische Zerstörung des Öls in dem Verdichter stattfinden, wodurch die Schmierung des Verdichters reduziert wird.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wärmepumpenvorrichtung vorzusehen, welche kostengünstiger herzustellen ist.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Wärmepumpenvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
  • Die Erfindung betrifft den Gedanken, ein elektronisches Expansionsventil für die Dampfeinspritzung in dem Kältekreis anstatt eines thermostatischen Expansionsventils vorzusehen.
  • Von dem Verdichter fließt das Kältemittel zu dem Verflüssiger 20 und von dem Verflüssiger zu dem Economiser, welcher als Wärmeüberträger dient. Mittels des Economisers 60 kann eine Dampfeinspritzung in den Verdichter 10 ermöglicht werden. Hierbei wird dampfförmiges Kältemittel in den Verdichter eingespritzt, d.h. das Kältemittel ist leicht überhitzt. Das flüssige Kältemittel (welches durch den Verflüssiger 20 verflüssigt worden ist) wird dem elektronischen Expansionsventil 80 zugeführt, anschließend wird die thermische Energie des Kältemittels mittels im Economisers 60 zur Überhitzung des einzuspritzenden Kältemittels verwendet.
  • Durch die Verwendung eines elektronischen Expansionsventils anstatt eines thermostatischen Expansionsventils kann das zusätzliche Magnetventil entfallen.
  • Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Vorteile und Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend auf Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
    • Fig. 1
    zeigt einen Kältekreis einer Wärmepumpenvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, und
    Fig. 2
    zeigt einen Kältekreis einer Wärmepumpenvorrichtung gemäß dem Stand der Technik.
  • Fig. 1 zeigt einen Kältekreis einer Wärmepumpenvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. In dem Kältekreis ist ein Verdichter 10, ein Verflüssiger 20, ein Economiser 60, ein elektronisches Expansionsventil 80, ein weiteres Expansionsventil 70 und ein Verdampfer 30 vorgesehen. Die Funktion des Verdichters, des Verflüssigers, des Economisers, des Expansionsventils 70 und des Verdampfers 30 entspricht dabei der Anordnung und Funktion des Verdichters, Verflüssigers, Economisers, Expansionsventil und Verdampfers gemäß Fig. 2.
  • Die für das elektronische Expansionsventil 80 benötigte Regelung kann auf Messwerte eines Verdampferausgangsdrucksensors und auf Messwerte eines Temperatursensors zur Erfassung der Sauggastemperatur basieren. Mit Hilfe des elektronischen Expansionsventils 80 kann die Überhitzung eines Kältemittels somit entsprechend geregelt werden. Da die Dampfeinspritzung in einem Bereich mit einem mittleren Druck erfolgt, welcher zwischen dem Hochdruck und dem Niederdruck vorhanden ist, kann davon ausgegangen werden, dass der entsprechende Mitteldruck bei gleichem Hoch- und Niederdruck sowie bei gleicher Überhitzung ebenfalls gleich sein sollte. Wenn der Hoch- und der Niederdruck mittels Drucksensoren in dem Kältemittelkreis gemessen wird, kann daher der Mitteldruck der Dampfeinspritzung für eine definierte Überhitzung ebenfalls berechnet werden.
  • Somit kann die Überhitzung des Kältemittels durch Messung der Temperatur des eingespritzten Kältemittels und des berechneten Mitteldrucks ohne einen weiteren Drucksensor ermittelt werden, insbesondere wenn diese für ein elektronisches Expansionsventil 70 vorhanden sind.
  • Mittels des elektronisch geregelten Expansionsventils 80 kann geregelt werden, wie viel Kältemittel durch den Economiser 60 fließt, beispielsweise kann durch Öffnen des Expansionsventils über den berechneten Öffnungsgrad für eine definierte Überhitzung hinaus mehr Kältemittel durch den Economiser fließen, so dass das Kältemittel nicht mehr ausreichend überhitzt wird und mit Anteilen der flüssigen Phase in den Verdichter 10 eingespritzt wird. Durch das Einspritzen von zumindest teilweise flüssigem Kältemittel kann die Heißgastemperatur reduziert werden. Somit kann ebenfalls der Einsatzbereich der Wärmepumpe insbesondere bei tiefen Verdampfungs- und hohen Kondensationstemperaturen erweitert werden, bei denen typischerweise die kritische Heißgastemperatur überschritten wird. Bei einer Überschreitung der Heissgastemperatur wird von einer Überhitzungsregelung auf eine Heißgastemperaturregelung umgeschaltet.

Claims (6)

  1. Wärmepumpenvorrichtung, mit einem Kältekreis, der ein Kältemittel, einen Verdichter (10), einen Verflüssiger (20), einen Economiser (60), einen Verdampfer (30), ein elektronisches Expansionsventil (80) zum Einspritzen von Kältemittel in den Verdichter (10) und eine Regeleinheit zum Regeln des elektronischen Expansionsventils.
    Wobei die Regeleinheit dazu ausgestaltet ist, das elektronische Expansionsventil derart zu regeln, dass durch Öffnen des Expansionsventils über einen berechneten Öffnungsgrad hinaus für eine definierte Überhitzung mehr Kältemittel durch den Economiser fließt, so dass das Kältemittel nicht ausreichend überhitzt wird und mit Anteilen der flüssigen Phase in den Verdichter (10) eingespritzt wird.
  2. Wärmepumpenvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Regeleinheit dazu ausgestaltet ist, den Öffnungsgrad des elektronischen Expansionsventils bei Heißgastemperaturen des Kältemittels unterhalb einer kritischen Temperatur zu regeln, um die Überhitzung des Kältemittels im Verdichter (10) zu regeln.
  3. Wärmepumpenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Regeleinheit dazu ausgestaltet ist, den Öffnungsgrad des elektronischen Expansionsventils zu regeln, so dass bei Heißgastemperaturen im Bereich einer kritischen Temperatur zumindest teilweise flüssiges Kältemittel in den Verdampfer (10) eingespritzt wird und ein definierter Maximalwert der Heißgastemperatur nicht erreicht wird.
  4. Wärmepumpenvorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Regeleinheit dazu ausgestaltet ist, den Öffnungsgrad des Expansionsventils derart zu regeln, dass die Dampfeinspritzung in einem Bereich mit einem mittleren Druck erfolgt, welcher zwischen dem Hochdruck und dem Niederdruck liegt, so dass der entsprechende Mitteldruck bei gleichem Hoch- und Niederdruck sowie bei gleicher Überhitzung des einzuspritzenden Kältemittels gleich ist, wobei der Hoch- und der Niederdruck mittels Drucksensoren in dem Kältemittelkreis gemessen wird und damit der Mitteldruck der Dampfeinspritzung zur Berechnung der Überhitzung berechnet wird.
  5. Wärmepumpenvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Regeleinheit dazu ausgestaltet ist, den Öffnungsgrad des elektronischen Expansionsventils zu regeln und dadurch die Menge an Kältemittel zu regeln, die durch den Economiser (60) fließt, wobei insbesondere durch weiteres Öffnen des Expansionsventils über den berechneten Öffnungsgrad hinaus mehr Kältemittel durch den Economiser fließt, so dass das Kältemittel nicht mehr ausreichend überhitzt wird und mit Anteilen der flüssigen Phase in den Verdichter (10) eingespritzt wird und durch das Einspritzen von zumindest teilweise flüssigem Kältemittel die Heißgastemperatur reduziert bzw. im Bereich einer kritischen Temperatur gehalten wird.
  6. Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpenvorrichtung mit einem Kältekreis, der ein Kältemittel, einen Verdampfer (10), einen Verflüssiger (20), einen Economiser (60), einen Verdampfer (30) und ein elektronisches Expansionsventil (80) aufweist, mit den Schritten:
    Regeln des elektronischen Expansionsventils über einen berechneten Öffnungsgrad für eine definierte Überhitzung hinaus,
    Fließen von mehr Kältemittel derart durch den Economiser, so dass das Kältemittel nicht mehr ausreichend überhitzt wird und mit Anteilen der flüssigen Phase in den Verdichter (10) eingespritzt wird, wobei durch das Einspritzen von zumindest teilweise flüssigem Kältemittel die Heißgastemperatur reduziert wird und/oder im Bereich der kritischen Temperatur gehalten wird.
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