NO891066L

NO891066L - HEAT PUMP.

Info

Publication number: NO891066L
Application number: NO89891066A
Authority: NO
Inventors: Karl Steinkellner
Original assignee: Karl Steinkellner
Priority date: 1987-07-15
Filing date: 1989-03-13
Publication date: 1989-03-13
Also published as: EP0299947A1; FI891164A0; AT387650B; FI891164A; NO891066D0; JPH02500997A; ATA178787A; WO1989000666A1

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en varmepumpe med et kulde-middelkretsløp forløpende over en kompressor, en kondensator, en ekspansjonsventil og en fordamper, idet fordamperen er anordnet i det vesentlige loddrett og består av en fortrinnsvis nedgravd, en nedover og til slutt en oppoverførende rørledning for kjølemiddel. The present invention relates to a heat pump with a refrigerant circuit running over a compressor, a condenser, an expansion valve and an evaporator, the evaporator being arranged essentially vertically and consisting of a preferably buried, a downward and finally an upward pipeline for refrigerant.

På grunn av den nødvendige kompressorsmøringen er det alltid tilstede en viss mengde med olje eller lignende smøremiddel i kjølemiddelet til en varmepumpe, som på tross av innbygningen av oljeutskilleren umiddelbart etter kompressoren i det minste delvis følger kretsløpet til kjølemiddelet. Ved varmepumpeanlegg med loddrett anordning av fordamperen oppstår det vanskeligheter som følge av oljeinnholdet til kjølemiddelet da olje utfelles fremfor alt i lange fordampere på grunn av kuldemiddelfordampning og samles i bunnområdet av fordamperen. Trykkforholdene gjør at en oppsugning av den utskilte oljen sammen med kuldemiddeldamp er mulig kun i en utilstrekkelig grad slik at det er fare for driftsforstyrrel-ser som følge av at det dannes oljedammer i fordamperen eller kompressoren går tørr som følge av utilstrekkelig smøring. Større varmepumpeanlegg må derfor ha en horisontal anordning av fordamperne og det høyere temperaturnivået ved dypere jordsjikt kan ikke utnyttes av nedgravde direktefordampere, men kun ved hjelp av kompliserte og tapsutsatte sekundaer-kretsløp. Due to the necessary compressor lubrication, a certain amount of oil or similar lubricant is always present in the coolant of a heat pump, which, despite the installation of the oil separator immediately after the compressor, at least partially follows the circuit of the coolant. In heat pump systems with a vertical arrangement of the evaporator, difficulties arise as a result of the oil content of the refrigerant as oil precipitates above all in long evaporators due to refrigerant evaporation and collects in the bottom area of the evaporator. The pressure conditions mean that suction of the secreted oil together with refrigerant vapor is only possible to an insufficient extent, so that there is a risk of operational disturbances as a result of oil ponds forming in the evaporator or the compressor running dry as a result of insufficient lubrication. Larger heat pump systems must therefore have a horizontal arrangement of the evaporators and the higher temperature level at deeper soil layers cannot be utilized by buried direct evaporators, but only by means of complicated and loss-prone seconds circuits.

Oppgaven til oppfinnelsen er derfor å unngå disse ulempene og tilveiebringe en varmepumpe av den innledningsvis nevnte art, som også sikrer på en rasjonell måte en forstyrrelsefri, funksjonssikker drift også ved anvendelse av loddrette fordampere av større størrelser. The task of the invention is therefore to avoid these disadvantages and to provide a heat pump of the kind mentioned at the outset, which also ensures in a rational way a disturbance-free, functionally reliable operation also when using vertical evaporators of larger sizes.

Foreliggende oppfinnelse løser denne oppgaven ved at i den oppoverførende kjølemiddelkanalen til fordamperen er anordnet minst en oljeutskiller, som har et ovenfor oljesamleren liggende ombøyningssted med en gjennomgang for kjølemiddelet avhengig av nivået til oljesamleren. Disse oljeutskillerne, hvilket antall er avhengig av lengden på den oppovergående kjølemiddelkanalen og andre driftsbetingelser tillater en trinnvis medbringelse av utskilte eller oljedråper som skiller seg ut, slik at man unngår at olje blir tilbake i fordamperen og dermed unngås også de dermed forbundne risikoer. Oljen blir ført med kuldemiddeldampen fra oljeutskiller til oljeutskiller, idet overskuddsoljen samles i respektive oljeutskillere etter at tilsvarende høydeforskjel-ler er overvunnet og transporteres så trinnvis videre. Ved en i oljesamleren stigende oljemengde oppstår nemlig en innsnevring av kjølemiddelgjennomgangen, noe som medfører en akselerering av kjølemiddelstrømmen og en trykkreduksjon i ombøyningsområdet slik at denne endringen av strømnings-forholdet, som virker gunstig på oljetransporten, alltid sørger for at oljen blir tatt med. Det oppstår en viss likevekstilstand, som forhindrer en fullstendig utskilling av oljeandelen fra kjølemiddelkretsløpet og garanterer den tilstrekkelige oljegjennomgangen gjennom fordamperen uavhengig av høyden. Det er derved ikke nødvendig med noen ytterligere pumpeinnretning eller lignende komplisert installasjon, men det er tilstrekkelig å anordne oljeutskillere i en tilsvarende avstand fra hverandre. The present invention solves this task by arranging at least one oil separator in the upward-conducting coolant channel to the evaporator, which has a deflection point located above the oil collector with a passage for the coolant depending on the level of the oil collector. These oil separators, the number of which depends on the length of the upward refrigerant channel and other operating conditions, allow a step-by-step entrainment of separated or separated oil droplets, thus avoiding oil remaining in the evaporator and thus also avoiding the associated risks. The oil is carried with the refrigerant vapor from oil separator to oil separator, as the excess oil is collected in respective oil separators after corresponding height differences have been overcome and is then transported further in stages. In the case of an increasing amount of oil in the oil collector, a narrowing of the coolant passage occurs, which causes an acceleration of the coolant flow and a pressure reduction in the deflection area so that this change in the flow ratio, which has a favorable effect on the oil transport, always ensures that the oil is taken along. A certain state of equilibrium occurs, which prevents a complete separation of the oil portion from the refrigerant circuit and guarantees the adequate passage of oil through the evaporator regardless of the height. There is therefore no need for any additional pumping device or similar complicated installation, but it is sufficient to arrange oil separators at a corresponding distance from each other.

01 jeutskillerne kan være utformet i og for seg på enhver egnet måte, men det gir seg imidlertid en hensiktsmessig konstruksjon når oljeutskilleren består av en mellombunn av rørledningen, som danner en høyttrukket, aksial overstrøm-ningsdyse, og en ombøyningshette som tildekker overstrøm-ningsdysen og strekker seg med sin kant til den nedre dyseutløpsmunningen. Med enkle, konstruktive tiltak til-veiebringer man her ved hjelp av mellombunnen og ombøynings-hetten til oljesamleren og ombøyningsstedet, idet det gjenblivende åpne tverrsnittet mellom hettekanten og den seg ved mellombunnen samlede oljen bestemmer den respektive gjennomgangen for kjølemiddelstrømmen og påvirker ved hjelp 01 the oil separators can be designed in and of themselves in any suitable way, but an appropriate construction is provided when the oil separator consists of an intermediate bottom of the pipeline, which forms a high-drawn, axial overflow nozzle, and a deflection cap which covers the overflow nozzle and extends with its edge to the lower nozzle outlet orifice. With simple, constructive measures, the intermediate base and the deflection cap provide the oil collector and the deflection point, as the remaining open cross-section between the edge of the cap and the oil collected at the intermediate base determines the respective passage for the coolant flow and influences by means

av kjølemiddelstrømmen medtagningen av de utfelte olje-dråpene. of the coolant flow the entrainment of the precipitated oil droplets.

Er ekspansjonsventilen anordnet foran fordamperen påvirkbar i avhengighet av trykkforskjellen mellom begge kjølemiddel-forløpene, er det mulig å styre på forhånd styremiddelkrets-løpet slik at det sikres en ordnet gjennomstrømning av fordamperen uten større svingninger av oljeandelene i kjølemiddelstrømmen ved fordamperutgangen. If the expansion valve arranged in front of the evaporator can be influenced depending on the pressure difference between both refrigerant flows, it is possible to control the control medium circuit in advance so that an orderly flow through the evaporator is ensured without major fluctuations of the oil proportions in the refrigerant flow at the evaporator outlet.

I det påfølgende skal oppfinnelsen beskrives nærmere med henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1 viser en varmepumpe ifølge oppfinnelsen i et anleggs-skj erna. Fig. 2 viser en del av fordamperen til denne varmepumpen In what follows, the invention will be described in more detail with reference to the drawings, where: Fig. 1 shows a heat pump according to the invention in a plant section. Fig. 2 shows part of the evaporator of this heat pump

sett i snitt og større målestokk.seen on average and on a larger scale.

En varmepumpe 1 som utnytter jordvarmen innbefatter i det vesentlige minst en kompressor 2, en kondensator 3, en ekspansjonsventil 4 og en eller flere fordampere 5, idet en ringledning 6 tillater et i seg selv lukket kjølemiddelkrets-løp. Fordampningsvarmen opptatt direkte fra grunnen i fordamperen 5 av det fordampende kjølemiddelet blir pumpet opp av kompressoren 2 og avgitt i kondensatoren 3 fra det kondenserende kjølemiddelet over en varmeveksler 3a til en ikke nærmere vist forbruker. Kjølemiddelkondensatet føres til slutt over en samler 7 og en kjølemiddeltørker 8 til ekspansjonsventilen 4, i hvilken kondensatet avspennes og strømmer så videre til fordamperen 5. A heat pump 1 which utilizes the heat of the earth essentially includes at least one compressor 2, a condenser 3, an expansion valve 4 and one or more evaporators 5, with a ring line 6 allowing an inherently closed coolant circuit. The heat of evaporation absorbed directly from the ground in the evaporator 5 by the evaporating refrigerant is pumped up by the compressor 2 and released in the condenser 3 from the condensing refrigerant via a heat exchanger 3a to a consumer not shown. The refrigerant condensate is finally led via a collector 7 and a refrigerant dryer 8 to the expansion valve 4, in which the condensate is released and then flows on to the evaporator 5.

På grunn av den nødvendige smøringen av kompressoren 2 inntrer smøremiddelet i kjølemiddelkretsløpet, som kort etter kompressoren 2 skilles fra kjølemiddelet i en oljeutskiller 9 og blir igjen ledet via oljeutjevningskaret inn i kompressoren 2. En fullstendig oljeutskillelse er imidlertid ikke mulig og hvis olje- henholdsvis smøremiddelandeler vil følge kjølemiddelkretsløpet gjennom det hele. Due to the necessary lubrication of the compressor 2, the lubricant enters the refrigerant circuit, which shortly after the compressor 2 is separated from the refrigerant in an oil separator 9 and is again led via the oil leveling vessel into the compressor 2. However, a complete oil separation is not possible and if oil and lubricant proportions will follow the refrigerant circuit throughout.

For å utnytte fordelene den i grunnen som følge av de store dybdene stigende og jevne temperaturen er fordamperen 5 anordnet loddrett og består i det vesentlige av en U-formet anbrakt rørledning 11, som med sitt ene ben danner en nedovergående kjølemiddelkanal lia og med sitt andre ben en oppoverførende kjølemiddelkanal 11b. Da det spesifikke volumet endrer seg ved fordampning av kjølemiddelet er tverrsnittet til den oppoverførende kjølemiddelkanalen 11b tilsvarende større enn den nedovergående kjølemiddelkanalen lia, slik at strømningsforholdet tilpasses til tilstands-endringene til kjølemiddelet. In order to take advantage of the advantages of the rising and even temperature in the ground as a result of the great depths, the evaporator 5 is arranged vertically and essentially consists of a U-shaped pipeline 11, which with one leg forms a downward cooling medium channel 1a and with its other ben an upwardly conducting refrigerant channel 11b. As the specific volume changes when the refrigerant evaporates, the cross-section of the ascending refrigerant channel 11b is correspondingly larger than the downward refrigerant channel 11a, so that the flow ratio is adapted to the state changes of the refrigerant.

Loddrett anordnede fordampere betyr fra en viss lengde på grunn av høydeforskjellen som derved skal overvinnes for det i kjølemiddelkretsløpet inneholdende olje i og for seg en uovervinnelig hindring og den utfelte oljen ved kjølemiddel-fordampningen ville samle seg på bunnen av fordamperen 5, noe som innenfor kort tid fører til forstyrrelse og utelukker driften av varmepumpen. For på denne enkle måten å sikre også i fordamperen 5 videretransporten av oljen fremkommer det i den oppoverførende kjølemiddelkanalen 11b i egnede avstander over hverandre anordnede oljeutskillere 12 slik at oljen føres trinnvis fra oljeutskiller til oljeutskiller i den oppovergående kjølemiddelkanalen 11b og det kan således forhindres en tilbakeblivelse av olje i fordamperen 5. Vertically arranged evaporators mean from a certain length due to the difference in height which must thereby be overcome for the oil in the refrigerant circuit containing in itself an insurmountable obstacle and the precipitated oil during the refrigerant evaporation would collect on the bottom of the evaporator 5, which within a short time time leads to disturbance and excludes the operation of the heat pump. In order in this simple way to also ensure the onward transport of the oil in the evaporator 5, oil separators 12 are arranged in suitable distances above each other in the upward coolant channel 11b so that the oil is carried step by step from oil separator to oil separator in the upward coolant channel 11b and a backflow can thus be prevented of oil in the evaporator 5.

Som det fremgår av fig. 2 består ol Jeutskilleren 12 av en mellombunn 13 til rørledningen 11, som danner en høyttrukket, aksial overstrømningsdyse 13a og tjener som oljesamler 13b i omkretsområdet av denne dysen 13a sammen med veggen til rørledningen 11. Overstrømningsdysen 13a blir tildekket av en ombøyningshette 14, som når med sin kant 14a til den nedre utløppsmunningen til dysen 13a og gir ombøyningsstedet for kjølemiddelet hvor det foregår utfelling av olje. Det gjennom overstrømningsdysen 13a oppoverstrømmende kjølemiddel blir ombøyd av ombøyningshetten 14 og strømmer gjennom det resterende mellomrommet mellom ombøyningshetten 14 og veggen til rørledningen 11. Ved ombøyningen blir overskuddsolje utskilt og samler seg i oljesamleren 13b, som derved styrer den frie gjennomstrømningen 14b for kjølemiddelet. Jo mer olje som utskilles desto høyere blir nivået i oljesamleren 13b og jo mindre blir gjennomstrømningsåpningen 14b, noe som fører til en økning i strømningshastigheten og medfører et trykkfall hvorved utskilt olje igjen kan bli videretranspor-tert. Det fremkommer således selvstyrende transporttrinn, som transporterer oljen trinnvis oppover den oppoverførende kjølemiddelkanalen 11b og som forhindrer en tiltagende oljeutskilling i fordamperen praktisk talt uavhengig av høydeforskjellen som skal overvinnes. Således ble f.eks. ved forsøk av en nedgravd fordamper, som strakte seg 60 meter dypt ned i grunnen og i avstand fra 12 meter i høyden hadde anordnet en oljeutskiller tilveiebrakt at den tilstedeværende oljeandelen ble opprettholdt i kjølemiddelkretsløpet og det ble forhindret en ansamling av oljen i fordamperens indre. As can be seen from fig. 2, the Jeutskilleren 12 consists of an intermediate base 13 for the pipeline 11, which forms a high-drawn, axial overflow nozzle 13a and serves as an oil collector 13b in the peripheral area of this nozzle 13a together with the wall of the pipeline 11. The overflow nozzle 13a is covered by a deflection cap 14, which reaches with its edge 14a to the lower outlet mouth of the nozzle 13a and provides the bending point for the refrigerant where precipitation of oil takes place. The coolant flowing upwards through the overflow nozzle 13a is deflected by the deflection cap 14 and flows through the remaining space between the deflection cap 14 and the wall of the pipeline 11. During the deflection, excess oil is separated and collects in the oil collector 13b, which thereby controls the free flow 14b of the coolant. The more oil that is secreted, the higher the level in the oil collector 13b and the smaller the through-flow opening 14b, which leads to an increase in the flow rate and causes a pressure drop whereby secreted oil can again be further transported. Self-regulating transport stages are thus produced, which transport the oil step by step up the upwardly conveying coolant channel 11b and which prevent an increasing oil separation in the evaporator practically regardless of the height difference to be overcome. Thus, e.g. when testing a buried evaporator, which extended 60 meters deep into the ground and at a distance of 12 meters in height, an oil separator had been arranged, which ensured that the proportion of oil present was maintained in the refrigerant circuit and an accumulation of the oil in the interior of the evaporator was prevented.

For sikring av kjølemiddelkretsløpet er det bygd inn en trykkovervåker 15 i ringledningen 6. For å kunne innstille strømnings- og trykkforholdene innenfor fordamperen 5 på de for oljemedføringen gunstig betingelse blir ekspansjonsventilen 4 påvirket i avhengighet av trykkforskjellen før og etter fordamperen 5. Det er naturligvis mulig å anvende varmepumpen 1 sammen med andre styretekniske innretninger og tilleggsapparater for å ovrvåke kjølemiddelkretsløpet og for å forbedre virkningsgraden og av denne grunn er fordamperen 5 og oljeutskilleren 12 ikke begrenset til spesielle konstruk-sjoner . To secure the coolant circuit, a pressure monitor 15 is built into the ring line 6. In order to be able to set the flow and pressure conditions within the evaporator 5 to conditions that are favorable for oil entrainment, the expansion valve 4 is affected depending on the pressure difference before and after the evaporator 5. It is of course possible to use the heat pump 1 together with other technical control devices and additional devices to monitor the coolant circuit and to improve the efficiency and for this reason the evaporator 5 and the oil separator 12 are not limited to special constructions.

Claims

1. Heat pump with a refrigerant circuit, which proceeds via a compressor (2), a condenser (3), an expansion valve (4) and an evaporator (5), Whereas the evaporator (5) is arranged essentially vertically and consists of a preferably buried pipeline (111) which forms a downward and upward coolant channel (lia, 11b), characterized in that in the upwardly conducting coolant channel (11b) to the evaporator (5) at least one oil separator (12) is arranged, which has a deflection point above the oil collector 13b with a passage opening ( 14b) for the coolant depending on the level of the oil collector.

2. Heat pump according to claim 1, characterized in that the oil separator (12) consists of an intermediate base (13) for the pipeline (11), which forms a high-drawn, axial overflow nozzle (13a), and a deflection cap (14) which covers the overflow nozzle 13a and extends with its edge (14a) to below the nozzle outlet mouth.

3. Heat pump according to claim 1 or 2, characterized in that the expansion valve (4) arranged in front of the evaporator (5) can be influenced depending on the pressure difference between the coolant channels (lia, 11b).