EP4735808A1 - Wärmepumpe und verfahren zum betreiben einer solchen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe (1) umfassend einen Arbeitsfluidkreislauf aufweisend einen Verdampfer (2), der im unteren Bereich ein Flüssigkeitsaufnahmevolumen (13) und im oberen Bereich ein Dampfaufnahmevolumen (14) bildet, einen sich an den Verdampfer (2) anschließenden Verdichter (3), einen sich an den Verdichter (3) anschließenden Kondensator (4) und eine sich an den Kondensator (4) anschließende Entspannungseinheit (6), die mit dem Verdampfer (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Entspannungseinheit (6) mit dem Verdampfer (2) verbindende Leitung (11, 12) durch das Dampfaufnahmevolumen (14) des Verdampfers (2) geführt ist, bevor diese in dem Verdampfer (2) mündet. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Wärmepumpe (1).

Description

Beschreibung

Wärmepumpe und Verfahren zum Betreiben einer solchen

Die Erfindung betri f ft eine Wärmepumpe umfassend einen Arbeits fluidkreislauf aufweisend einen Verdampfer, der im unteren Bereich ein Flüssigkeitsaufnahmevolumen und im oberen Bereich ein Dampf aufnahmevolumen bildet , einen sich an den Verdampfer anschließenden Verdichter, einen sich an den Verdichter anschließenden Kondensator und einen sich an den Kondensator anschließenden Entspannungsbehälter, der mit dem Verdampfer verbunden ist , wobei Drosselventile in Leitungen vorgesehen sind, die den Kondensator mit dem Entspannungsbehälter und den Entspannungsbehälter mit dem Verdampfer verbinden . Ferner betri f ft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Wärmepumpe .

Wärmepumpen der eingangs genannten Art sind im Stand der Technik in unterschiedlichsten Ausgestaltungen bekannt . Sie umfassen einen Arbeits fluidkreislauf , der als Hauptbestandteile einen Verdampfer, einen Verdichter, einen Kondensator und eine Entspannungseinheit aufweist . In dem Verdampfer wird das Arbeits fluid durch eine externe Wärmequelle erhitzt und verdampft . Daraufhin wird es dem Verdichter zugeführt und dort auf ein erhöhtes Druckniveau gebracht . Anschließend wird das Arbeits fluid im Kondensator bei einer im Vergleich zur Verdampfungstempera- tur erhöhten Verf lüssigungstemperatur verflüssigt . Um das das Arbeits fluid am Ende des Kreislaufs zurück in den Ausgangs zustand zu bringen, wird es in der Entspannungseinheit expandiert , wodurch sich seine Temperatur wieder absenkt . Innerhalb des Verdampfers können mit dem in diesem erzeugten Dampfstrom kleine flüssige Tropfen mitgerissen und dem Verdichter zugeführt werden . Sind die Tropfen zu groß , so können sie Beschädigungen am Verdichter hervorrufen . Zur Vermeidung solcher Beschädigungen wurde bereits vorgeschlagen, im Dampf aufnahmevolumen des Verdampfers ein Demister anzuordnen, der die Tropfen aus dem Dampfmassenstrom abscheidet , woraufhin diese zurück in das Flüssigkeitsaufnahmevolumen des Verdampfers tropfen .

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wärmepumpe der eingangs genannten Art mit alternativem Aufbau sowie ein alternatives Verfahren zum Betreiben einer solchen Wärmepumpe bereitzustellen .

Zur Lösung dieser Aufgabe schaf ft die vorliegende Erfindung eine Wärmepumpe umfassend einen Arbeits fluidkreislauf aufweisend einen Verdampfer, der im unteren Bereich ein Flüssigkeitsaufnahmevolumen und im oberen Bereich ein Dampf aufnahmevolumen bildet , einen sich an den Verdampfer anschließenden Verdichter, einen sich an den Verdichter anschließenden Kondensator und eine sich an den Kondensator anschließende Entspannungseinheit , die mit dem Verdampfer verbunden ist , dadurch gekennzeichnet , dass eine die Entspannungseinheit mit dem Verdampfer verbindende Leitung durch das Dampf aufnahmevolumen des Verdampfers geführt ist , bevor diese in dem Verdampfer mündet . Dank eines solchen Aufbaus kann das aus der Entspannungseinheit zum Verdampfer geleitete Arbeits fluid dazu genutzt werden, im Dampf aufnahmevolumen des Verdampfers enthaltenen Dampf zu überhitzen, wodurch in dem Dampf enthaltene Tropfen verdampft werden und nicht zum Verdichter gelangen können . Die erfindungsgemäße Wärmepumpe zeichnet sich einerseits dadurch auf , dass auf die Anordnung eines Demisters im Verdampfer gänzlich verzichtet werden kann . Zum anderen kann der Leistungskoef fi zient ( COP ) der Wärmepumpe um etwa 5 bis 7 % verbessert werden, da dem Arbeitsmedium, das bislang auf dem Weg von der Entspannungseinheit zum Verdampfer lediglich entspannt wurde , zusätzliche Hitze entzogen wird .

Bevorzugt ist die Leitung, welche die Entspannungseinheit mit dem Verdampfer verbindet , in demj enigen Bereich, der durch das Dampf aufnahmevolumen des Verdampfers geführt ist , als Leitungsbündel oder als sich mäandernd erstreckende Leitung ausgebildet ist , um möglichst gleichmäßig und/oder groß flächig Wärme an das dampf förmige Arbeitsfluid abzugeben .

Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die Entspannungseinheit ein Drosselventil , einen stromabwärts des Drosselventils angeordneten Entspannungsbehälter, der ein Flüssigkeitsaufnahmevolumen und ein Dampf aufnahmevolumen bildet , und ein stromabwärts des Entspannungsbehälters angeordnetes weiteres Drosselventil auf . Entsprechend kann der Druck des vom Kondensator kommenden kondensierten Arbeits fluids mittels des ersten Drosselventils zunächst auf ein erstes Druckniveau gesenkt werden, auf dem es im Entspannungsbehälter in sowohl flüssiger als auch gas förmiger Form gespeichert wird . Unter Verwendung des weiteren Drosselventils kann der Druck dann auf ein zweites Druckniveau reduziert werden, bevor das Arbeits fluid in den Verdampfer eintritt .

Vorteilhaft ist im Dampf aufnahmevolumen des Entspannungsbehälters ein Demister positioniert , und oberhalb des De- misters führt eine den Entspannungsbehälter mit dem Verdichter verbindende Leitung aus dem Entspannungsbehälter heraus . Entsprechend kann das im Entspannungsbehälter enthaltene dampf förmige Arbeits fluid direkt zum Verdichter geleitet werden, ohne dass es den Verdampfer passieren muss , wodurch der Leistungskoef fi zient der Wärmepumpe verbessert wird .

Bevorzugt sind das Dampf aufnahmevolumen des Verdampfers und der Kondensator über eine mit einem Bypassventil versehene Bypassleitung miteinander verbunden . Entsprechend kann der Verdichter bei Bedarf umgangen werden .

Ferner schaf ft die vorliegende Erfindung zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe , insbesondere einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe , in der ein Arbeits fluid zirkuliert , dadurch gekennzeichnet , dass innerhalb eines Dampf aufnahmevolu- mens eines Verdampfers der Wärmepumpe vorhandener Arbeits fluiddampf durch Wärmetausch mit von einer Entspannungseinheit der Wärmepumpe zum Verdampfer geleitetem Arbeits fluidkondensat überhitzt wird, bevor er zu einem Verdichter der Wärmepumpe geleitet wird .

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegende Figur 1 deutlich, die eine schematische Ansicht einer Wärmepumpe gemäß einer Aus führungs form der vorliegenden Erfindung zeigt .

Gleiche Bezugs zi f fern bezeichnen nachfolgend gleiche oder gleichartige Bauteile . Die in der Zeichnung dargestellte Wärmepumpe 1 umfasst einen Arbeits fluidkreislauf aufweisend einen Verdampfer 2 , einen Verdichter 3 , einen Kondensator 4 , einen grundsätzlich optionalen Unterkühler 5 und eine Entspannungseinheit 6 , die durch entsprechende Leitungen 7 , 8 , 9 , 10 , 11 und 12 miteinander verbunden sind . Der Verdampfer 2 bildet im unteren Bereich ein Flüssigkeitsaufnahmevolumen 13 , in das die Leitung 12 mündet , und im oberen Bereich ein Dampf aufnahmevolumen 14 , an dessen oberen Ende die Leitung 7 aus dem Verdampfer 2 herausgeführt ist . Im Flüssigkeitsaufnahmevolumen 13 sind Rohre 15 positioniert , durch die ein warmes Medium einer externen Wärmequelle geleitet wird, wobei das Medium über eine Leitung 16 zugeführt und über eine Leitung 17 abgeführt wird . Im Dampf aufnahmevolumen 14 des Verdampfers 2 ist vorliegend ein Leitungsbündel 18 positioniert , das die Leitungen 11 und 12 miteinander verbindet und durch das während des Betriebs der Wärmepumpe 1 entsprechend das im Arbeits fluidkreislauf zirkulierende Arbeits fluid geleitet wird, wie es nachfolgend noch näher erläutert ist . Die Leitungen 11 und 12 sowie das Leitungsbündel 18 können beispielsweise auch durch eine einzelne Leitung ersetzt werden, die sich mäandernd durch das Dampf aufnahmevolumen 14 des Verdampfers 2 erstreckt , auch wenn dies vorliegend nicht dargestellt ist . Der Verdichter 3 , der bei der dargestellten Aus führungs form über einen elektrischen Motor 19 angetrieben wird, weist bei der dargestellten Aus führungs form zwei Verdichterstufen 20 und 21 auf , die von dem Arbeitsfluid nacheinander passiert werden . Es sollte allerdings klar sein, dass grundsätzlich auch der Einsatz eines einstufigen Verdichters möglich ist , ebenso wie die Verwendung eines mehr als zwei Verdichterstufen aufweisenden Verdichters . Durch den Kondensator 4 und den Unterkühler 5 erstrecken sich vorliegend j eweils Rohre 22 , durch die ein über die Wärmepumpe 1 zu erwärmendes Medium geleitet wird, wobei das Medium vorliegend zunächst dem Unterkühler 5 über eine Leitung 23 zugeführt , dann über eine Leitung 24 aus dem Unterkühler 5 heraus- und dem Kondensator 4 zugeführt und schließlich über eine Leitung 25 aus dem Kondensator 4 abgelassen wird . Die Entspannungseinheit 6 umfasst bei der dargestellten Aus führungs form ein Drosselventil 26 , einen stromabwärts des Drosselventils 26 angeordneten Entspannungsbehälter 27 , der ein Flüssigkeit sauf nahmevolumen 28 und ein Dampf auf nahmevolumen 29 bildet , und ein stromabwärts des Entspannungsbehälters 27 angeordnetes weiteres Drosselventil 30 . Das Drosselventil 26 ist vorliegend in der Leitung 10 und das Drosselventil

30 in der Leitung 12 ist . Die Leitung 10 mündet vorliegend im Dampf aufnahmevolumen 29 und die Leitung 11 ist an das Flüssigkeitsaufnahmevolumen 28 angeschlossen . Im Dampf aufnahmevolumen 29 des Entspannungsbehälters 27 ist ein Demister 31 positioniert und oberhalb des Demisters

31 führt eine den Entspannungsbehälter 27 mit dem Verdichter 3 verbindende Leitung 32 aus dem Entspannungsbehälter 27 heraus . Ferner sind bei der dargestellten Ausführungs form das Dampf aufnahmevolumen 14 des Verdampfers 2 und der Kondensator 4 über eine mit einem Bypassventil 33 versehene Bypassleitung 34 miteinander verbunden .

Während des Betriebs der Wärmepumpe 1 wird das im Arbeits fluidkreislauf der Wärmepumpe 1 zirkulierende Arbeits fluid, bei dem es sich normalerweise um ein Kältemittel handelt , zunächst im Verdampfer 2 durch Wärmetausch mit einem von einer externen Wärmequelle kommenden warmen Medium erwärmt , das dem Verdampfer 2 über die Leitung 16 zugeführt , dann durch die im Flüssigkeitsaufnahmevolumen 13 des Verdampfers 2 angeordneten Rohre 15 geleitet und dann wieder durch die Leitung 17 aus dem Verdampfer 2 ausgeleitet wird . Das Arbeits fluid verdampft und steigt in das Dampf aufnahmevolumen 14 des Verdampfers 2 auf , wo es durch flüssiges Arbeits fluid überhitzt wird, das durch das im Dampf aufnahmevolumen 14 positionierte Leitungsbündel 18 geleitet wird . Durch diese Überhitzung werden sämtliche im dampf förmigen Arbeits fluid enthaltenen flüssigen Partikel entfernt . Der reine Dampf wird dann durch die Leitung 7 zum Dichter 3 geleitet , wo er in zwei Stufen verdichtet und daraufhin im weiterhin dampfförmigen Zustand über die Leitung 8 dem Kondensator 4 zugeführt wird . Innerhalb des Kondensators 4 wird der Dampf durch Wärmetausch mit einem zu erwärmenden Medium kondensiert , das durch die im Kondensator 4 angeordneten Rohre 22 geleitet wird . Das Arbeits fluid verlässt den Kondensator 4 über die Leitung 9 im flüssigen Zustand und wird dem Unterkühler 5 zugeführt , in dem die Temperatur des Arbeits fluids weiter durch Wärmetausch mit dem zu erwärmenden Medium gesenkt wird . Das Arbeits fluid verlässt den Unterkühler 5 über die Leitung 10 , wird über das Drosselventil 26 gedrosselt und dann dem Entspannungsbehälter 27 im zweiphasigen Zustand zugeführt . Die flüssige Phase sammelt sich im Flüssigkeitsaufnahmevolumen 28 des Entspannungsbehälters 27 und die dampf förmige Phase im Dampf aufnahmevolumen 29 des Entspannungsbehälters 27 . Das dampf förmige Arbeits fluid passiert den Demister 31 und wird über die Leitung 32 direkt wieder dem Verdichter 3 zugeführt . Das flüssige Arbeits fluid wird über die Leitung 11 in das im Dampf aufnahmevolumen 14 des Verdampfers 2 angeordnete Rohrbündel 18 geleitet , verlässt den Verdampfer 2 über die Leitung 12 im flüssigen Zustand, woraufhin es unter Einsatz des Drosselventils 30 erneut gedrosselt und schließlich dem Flüssigkeitsaufnahmevolumen 13 des Verdampfers 2 zugeführt wird . Wahlweise kann das dampf förmige Arbeits fluid aus dem Dampf aufnahmevolumen 14 des Verdampfers 2 auch direkt über die Bypassleitung 34 dem Kondensator 4 zugeführt werden . Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde , so ist die Erfindung nicht durch die of fenbarten Bei- spiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .

Unabhängig vom grammatikalischen Geschlecht eines be- stimmten Begri f fes sind Personen mit männlicher, weiblicher oder anderer Geschlechteridentität mit umfasst .

Claims

Patentansprüche

1. Wärmepumpe (1) umfassend einen Arbeitsfluidkreislauf aufweisend einen Verdampfer (2) , der im unteren Bereich ein Flüssigkeitsaufnahmevolumen (13) und im oberen Bereich ein Dampf aufnahmevolumen (14) bildet, einen sich an den Verdampfer (2) anschließenden Verdichter (3) , einen sich an den Verdichter (3) anschließenden Kondensator (4) und eine sich an den Kondensator (4) anschließende Entspannungseinheit (6) , die mit dem Verdampfer (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Entspannungseinheit (6) mit dem Verdampfer (2) verbindende Leitung (11, 12) durch das Dampf aufnahmevolumen (14) des Verdampfers (2) geführt ist, bevor diese in dem Verdampfer (2) mündet.

2. Wärmepumpe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Entspannungseinheit (6) mit dem Verdampfer (2) verbindende Leitung (11, 12) in demjenigen Bereich, der durch das Dampf aufnahmevolumen (14) des Verdampfers (2) geführt ist, als Leitungsbündel (18) oder als sich mäandernd erstreckende Leitung ausgebildet ist.

3. Wärmepumpe (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannungseinheit (6) ein Drosselventil (26) , einen stromabwärts des Drosselventils (26) angeordneten Entspannungsbehälter (27) , der ein Flüssigkeit sauf nahmevolumen (28) und ein Dampf auf nahmevolumen (29) bildet, und ein stromabwärts des Entspannungsbehälters (6) angeordnetes weiteres Drosselventil (30) aufweist.

4. Wärmepumpe (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Dampf aufnahmevolumen (29) des Entspannungsbehälters (27) ein Demister (31) positioniert ist und oberhalb des Demisters (31) eine den Entspannungsbehälter (27) mit dem Verdichter (3) verbindende Leitung (32) aus dem Entspannungsbehälter (27) herausführt.

5. Wärmepumpe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dampf aufnahmevolu- men (14) des Verdampfers (2) und der Kondensator (4) über eine mit einem Bypassventil (33) versehene Bypassleitung (34) miteinander verbunden sind.

6. Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe (1) , insbesondere einer Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in der ein Arbeitsfluid zirkuliert, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines Dampf aufnahmevolu- mens (14) eines Verdampfers (2) der Wärmepumpe (1) vorhandener Arbeitsfluiddampf durch Wärmetausch mit von einer Entspannungseinheit (6) der Wärmepumpe zum Verdampfer (2) geleitetem Arbeitsfluidkondensat überhitzt wird, bevor er zu einem Verdichter (3) der Wärmepumpe (1) geleitet wird.