WO1989000666A1

WO1989000666A1 - Heat pump

Info

Publication number: WO1989000666A1
Application number: PCT/AT1988/000052
Authority: WO
Inventors: Karl Steinkellner
Original assignee: Karl Steinkellner
Priority date: 1987-07-15
Filing date: 1988-07-12
Publication date: 1989-01-26
Also published as: NO891066D0; EP0299947A1; NO891066L; JPH02500997A; ATA178787A; AT387650B; FI891164A; FI891164A0

Description

Wärmet. umDe

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmepumpe, mit einem über einen Kompressor, einen Kondensator, ein Expansionsventil und einen Verdampfer verlaufenden Kälte¬ mittelkreislauf, wobei der Verdampfer im wesentlichen lotrecht angeordnet ist und aus einer vorzugsweise erdver¬ legten, einen abwärts und anschließend einen aufwärts führenden Kältemittelzug bildenden Rohrleitung besteht.

Aufgrund der Notwendigkeit einer Kompressorschmie- rung ist im Kältemittel einer Wärmepumpe immer auch ein gewisser Anteil an Öl od.dgl. Schmiermittel enthalten, das trotz Einbaus von Ölabscheidern unmittelbar nach den. Kompressor zumindest teilweise den Kreislauf des Kühl¬ mittels mitmacht. Allerdings kommt es durch diesen Ölge- halt des Kältemittels zu Schwierigkeiten in Wärmepumpen- anlagen mit lotrechter Anordnung der Verdampfer, da das Öl vor allem in Verdampfern größerer Länge wegen der Kälte¬ mittelverdampfung ausfällt und sich im Bodenbereich des Verdampfers sammelt. Die herrschenden Druckverhältnisse lassen ein Absaugen des ausgeschiedenen Öls zusammen mit dem Kältemitteldampf aus dem Verdampfer nur in ungenügen¬ dem Ausmaße zu, so daß Betriebsstörungen wegen des sich bildenden Ölsumpfes im VerdamDfer oder ein Trockeniau er. des Kompressors mangels ausreichender Schmierung zu befürchten sind. Größere Wärmepumpenanlagen verlangen daher bisher eine horizontale Anordnung des Verdamp ers, und das höhere Temperaturniveau in tieferen Bodenschichten läßt sich nicht durch erdverlegte Direktverdampfer nutzen, sondern nur unter Mithilfe aufwendiger und verlustreicher Sekundärkreisläu e.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diese Mängel zu beseitigen und eine Wärmepumpe der ein- gangs geschilderten Art zu schaffen, die auch bei Ein¬ satz von lotrechten Verdampfern größter Dimensionen auf rationelle Weise einen störungsfreien, funktionssicheren Betrieb gewährleistet.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß in den aufwärts führenden Kältemittelzug des Verdampfers wenigstens ein Ölabscheider eingebunden ist, der eine oberhalb eines Ölsammlers liegende Umlenkstelle mit einem vom Füllstand des Ölsammlers abhängigen Durchlaß für das Kältemittel aufweist. Diese Ölabscheider, deren Zahl sich nach der Länge des aufwärts führenden Kältemitteizuges und anderen Betriebsbedingungen richtet, erlaubt die stu¬ fenweise Mitnahme der abgeschiedenen oder sich abscheiden¬ den Öltröpfchen, so daß ein Zurückbleiben des Öls im Ver¬ dampfer und .die damit verbundenen Gefahren beseitigt sind. Das Öl wird mit dem Kältemitteldampf von Ölabscheider zu Ölabscheider mitgeführt, wobei überschüssiges Öl nach Überwindung entsprechender Höhendifferenzen in den je¬ weiligen Ölabscheidern gesammelt und dann schrittweise weiterbefördert wird. Durch eine im Ölsammler steigende Ölmenge kommt es nämlich zu einer Verengung des

Kältemitteldurchlasseε, was eine Beschleunigung des Kältemittelstromes und eine Druckverminderung im Umlenkbereich zur Folge hat, so daß diese die Ölförderung begünstigenden Änderungen der Strömungsverhältnisse immer wieder für die weitere Mitnahme des Öls sorgen. Es stellt sich ein gewisser Gleichgewichtszustand ein, der eine vollständige Abscheidung des Ölanteils aus dem Kälte- mittelkreislauf verhindert und den ausreichenden Öl- durchsatz durch den Verdampfer unabhängig von dessen Höhe garantiert. Dabei sind keinerlei zusätzliche Pumpeinrichtungen od.dgl. aufwendige Installationen erforderlich, sondern es genügen einfache, in ent- sprechenden Abständen voneinander angeordnete ölabschei¬ der.

Die Ölabscheider können an und für sich auf jede, geeignete Art und Weise ausgestaltet sein, doch ergibt sich eine besonders zweckmäßige Konstruktion, wenn der Ölabscheider aus einem eine hochgezogene axiale Uberström- düse bildenden Zwischenboden der Rohrleitung und einer die Uberströmdüse überdeckenden, sich mit ihrem Rand bis unter die Düsenaustrittsmündung erstreckenden Umlenkhaube besteht. Mit einfachen baulichen Maßnahmen kommt es hier durch den Zwischenboden und die Umlenkhaube zum Olsammler und zur Umlenkstelle, wobei der verbleibende lichte Quer¬ schnitt zwischen Haubenrand und sich am Zwischenboden sammelndem Öl den jeweiligen Durchlaß für den Kältemittel¬ strom bestimmt und das Mitreißen der ausgefällten Öltröpf- chen-durch den Kältemittelstrom beeinflußt. Ist das dem Verdampfer vorgeordnete Expansionsventil in Abhängigkeit von der Druckdifferenz zwischen beiden Kältemittelzügen betätigbar, läßt sich der Kältemittelkreislauf von vornherein so steuern, daß ein ordnungsgemäßes Durchströmen des Verdampfers ohne größere Schwankungen des Ölanteils im Kältemittelstrom am Verdampferausgang gewährleistet ist.

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise veranschaulicht, und zwar zeigen Fig. 1 eine erfindungsgemäße Wärmepumpe in einem An¬ lagenschema und Fig. 2 einen Teil des Verdampfers dieser Wärmepumpe im Axialschnitt größeren Maßstabes. Eine die Erdwärme nützende Wärmepumpe 1 umfaßt im wesentlichen wenigstens einen Kompressor 2, einen Kon¬ densator 3, ein Expansionsventil 4 und einen oder mehrere Verdampfer , wobei eine Ringleitung 6 einen in sich ge¬ schlossenen Kältemittelkreislauf erlaubt. Die im Verdampfer 1_Q 5 vo verdampfenden Kältemittel direkt aus dem Boden auf¬ genommene Verdampfungswärme wird durch den Kompressor

2 hochgepumpt und als Kondensationswärme im Kondensator

3 vom kondensierenden Kältemittel über einen Wärmetauscher 3a an einen nicht weiter dargestellten Verbraucher abge¬ be geben. Das Kältemittelkondensat gelangt anschließend über einen Sammler 7 und einen Kältemitteltrockner 8 zum Ex- panεionsventil ■+ , in dem es entspannt wird, und strömt dann wieder dem Verdampfer 5 zu.

Aufgrund der notwendigen Schmierung des Kom- 20 pressors 2 kommt Schmiermittel in den Kältemittelkreislauf, das kurz nach dem Kompressor 2 durch einen Ölabscheider

9 vom Kältemittel getrennt und über ein Ölausgleichsgefäß

10 wieder in den Kompressor 2 geleitet wird. Allerdings ist eine vollständige Ölabscheidung nicht möglich und

2 gewisse Öl- bzw. Schmiermittelanteile machen den ganzen Kältemittelkreislauf mit.

Um die Vorteile der im Boden durch größere Tiefe steigenden und gleichmäßigeren Temperaturen nützen zu können, ist der Verdampfer 5 lotrecht angeordnet und be-

30 steht im wesentlichen aus einer U-förmig verlegten Rohr¬ leitung 11, die mit ihrem einen Schenkel einen abwärts führenden Kältemittelzug 11a und mit ihrem anderen Schen¬ kel einen aufwärts führenden Kältemittelzug 11b bildet. Da sich beim Verdampfen des Kältemittels das spezifische Volumen ändert, ist der Querschnitt des aufwärts führenden Kältemittelzuges 11b entsprechend größer als der des abwärts führenden Kältemittelzuges 11a, so daß die Strö¬ mungsverhältnisse an die Zustandsänderungen des Kältemit- tels angepaßt sind.

Lotrecht angeordnete Verdampfer bedeuten ab einer gewissen Länge aufgrund der dadurch zu überwindenden Höhen¬ differenz für das im Kältemittelkreislauf enthaltene Öl an und für sich ein unüberwindliches Hindernis und das bei der Kältemittelverdampfung ausgefällte Öl würde sich am Boden des Verdampfers 5 sammeln, was in kurzer Zeit zu Störungen führen und einen Betrieb der Wärmepumpe aus schließen würde. Um daher auf einfache Weise auch im Verdampfer 5 den Weitertransport des Öls sicherzustellen, gibt es im aufwärts führenden Kältemittelzug 11b in ge¬ eigneten Abständen übereinander Ölabscheider 12, so daß das Öl stufenweise von Ölabscheider zu Ölabscheider den aufwärts führenden Kältemittelzug 11b hochgebracht und ein Zurückbleiben des Öls im Verdampfer 5 verhindert wer den kann.

Wie insbesondere aus Fig. 2 hervorgeht, bestehen die Ölabscheider 12 aus einem Zwischenboden 13 der Rohr¬ leitung 11, der eine hochgezogene axiale Uberströmdüse 13a bildet und im Umfangsbereich um diese Düse 13a zu- sammen mit der Wandung der Rohrleitung 11 als Olsammler 13b dient. Die Uberströmdüse 13a wird von einer Umlenk¬ haube 14 überdeckt, die mit ihrem Rand 14a bis unter die Aus rittsmündung der Düse 13a reicht und eine das Aus¬ fällen des Öls mit sich bringende Umlenkstelle für das Kältemittel ergibt. Das durch die Überströmdüse 13a hochströmende Kältemittel wird durch die Umlenkhaube 14 umgelenkt und strömt durch den verbleibenden Zwischen¬ raum zwischen Ümlenkhaube 14 und Wandung der Rohrlei¬ tung 11 weiter. Bei der U lenkung wird überschüssiges Öl abgeschieden und sammelt sich im Olsammler 13b, der damit den freien Durchlaß 14b für das Kältemittel steuert. Je mehr Öl abgeschieden wird, umso höher ist der Füllstand im Olsammler 13b und umso kleiner wird der Durchlaß 14b, was eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit und einen Druckabfall zur Folge hat, wodurch abgeschiedenes Öl wie¬ der vermehrt weitertransportiert werden kann. Es ergeben sich selbststeuernde Förderstufen, die das Öl schrittwei¬ se den aufwärts führenden Kältemittelzug 11b inaufbe- fördern und praktisch unabhängig von den zu überwindenden Höhendifferenzen eine zunehmende Ölabsonderung im Ver¬ dampfer verhindern. So wurde beispielsweise bereits ein erdverlegter Verdampfer erfolgreich erprobt, der sich 60 m tief in den Erdboden erstreckt und jeweils im Ab- stand von 12 Höhenmetern einen Ölabscheider aufweist, welcher Verdampfer den vorhandenen Ölanteil im Kältemittelkreislauf aufrecht erhält und ein Ansammeln des Öls im Verdampferinneren verhindert.

Zur Sicherung des Kältemittelkreislaufes ist ein Druckwächter 15 in die Ringleitung 6 eingebaut und. um die Strömungε- und Druckverhältnisse innerhalb des Verdampfers 5 auf die für eine Ölmitnahme günstigen Be¬ dingungen abstimmen zu können, wird das Expansionsventil 4 in Abhängigkeit von der Druckdifferenz vor und nach dem Verdampfer 5 betätigt. Selbstverständlich lassen sich für die Wärmepumpe 1 auch andere steuertechnische Einrich¬ tungen und Zusatzaggregate zur Überwachung des Kältemittei- kreislaufes und zur Verbesserung des Wirkungsgrades ver¬ wenden und weder der Verdampfer 5 selbst noch die Ölab- scheider 12 sind auf spezielle Konstruktionen beschränkt.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e :

1. Wärmepumpe (1), mit einem über einen Kompressor (2), einen Kondensator (3), ein Expansionsventil (4) und einen Verdampfer (5) verlaufenden Kältemittelkreis¬ lauf, wobei der Verdampfer (5) im wesentlichen lotrecht angeordnet ist und aus einer vorzugsweise erdverlegten, einen abwärts und anschließend einen aufwärts führenden Kältemittelzug (11a, 11b) bildenden Rohrleitung (11) besteht, dadurch gekennzeichnet, daß in den aufwärts führenden Kältemittelzug (11b) des Verdampfers (5) wenig- stens ein Ölabscheider (12) eingebunden ist, der eine oberhalb eines ölsammlers (13b) liegende Umlenkstelle mit einem vom Füllstand des ölsammlers abhängigen Duchlaß (14b) für das Kältemittel aufweist.

2. Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ölabscheider (12) aus einem eine hochgezogene axiale Uberströmdüse (13a) bildenden Zwischenboden (13) der Rohrleitung (11) und einer die Uberströmdüse (13a) überdeckenden, sich mit ihrem Rand (14a) bis unter die Düsenaustrittsmündung erstreckenden Umlenkhaube (14) besteht.

3. Wärmepumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das dem Verdampfer (5) vorgeordnete Expan - sionsventil (4) in Abhängigkeit vo der Druckdifferenz zwischen beiden Kältemittelzügen (11a, 11b) betätigbar ist.