WO2003106900A1 - Verfahren zum regeln eines carnot-kreisprozesses sowie anlage zu seiner durchführung - Google Patents

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    • 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 an installation for carrying out the method according to the preamble of claim 8.
  • Camot cycles are used to generate higher temperature heat from lower temperature heat and vice versa.
  • the systems required for this are known as heat pumps and chillers.
  • Well-known energy sources are, for example: deep-freeze rooms, outside air, geothermal probes, groundwater etc.
  • a method for controlling a Carnot cycle for a heat pump and a refrigerator are known, for example, from DE 34 42 169 A.
  • the gaseous refrigerant (working fluid) emerging from the evaporator flows through an internal heat exchanger in which the gaseous refrigerant overheats and the condensate is subcooled.
  • the Verdam n fer and the capacitor and above all the internal heat exchanger are in this case designed such that the Ü overheating and almost exclusively carried out exclusively in the sub-cooling the internal heat exchanger.
  • the overheating is kept so high that the temperature of the refrigerant reaches a predetermined maximum value after compression.
  • the opening cross section of the expansion valve is regulated depending on the temperature of the refrigerant after the compressor and / or on the condition of the refrigerant at the evaporator outlet. It is disadvantageous that with this device the desired subcooling 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 type of compressor, the winding cooling of the drive motor does not more can be fully guaranteed. An optimal increase in performance is not possible.
  • the object of the invention is to further improve a method for regulating a Carnot cycle and a system for carrying it out.
  • the compressor requires less electricity even though more suction gas is pumped.
  • the increase in performance can be 10 to 30%.
  • any cooling of the condensed working agent brings about an improvement of capacity of ⁇ of the plant it is particularly advantageous' edoch if, according Ans n odor 2, the condensed working medium is cooled in the auxiliary evaporator to about the evaporation temperature.
  • Claim 4 describes a particularly simple solution for the regulation of the Carnot cycle, according to which a thermostatic expansion valve is used and this is regulated on the basis of the pressure of the working medium before or after the additional evaporator and the temperature of the working medium between the additional evaporator and the compressor. This data can then be passed on directly to the thermostatic expansion valve and regulate the Carnot cycle.
  • a control unit is used which controls an electronic expansion valve, the control unit being used at least before or after using a pressure sensor regulates the additional evaporator and the temperature of the working fluid between the additional evaporator and the compressor.
  • This regulation can be refined if, according to claim 6, the regulating unit is additionally regulated based on the temperature and / or the pressure of the working medium between the evaporator and the additional evaporator.
  • the control unit is additionally controlled based on the temperature of the working medium between the compressor and the condenser.
  • control engineering features described above can be achieved in a system for carrying out the method, in particular a heat pump, by design features.
  • 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 area.
  • the embodiment according to claim 9 is preferred, according to which the additional evaporator has 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 in accordance with claim 10 in that the expansion valve is thermostatic and by means of a darrt 7 _-- i'e Q '- on the one hand and a pressure line arranged upstream or downstream of the additional evaporator on the other hand.
  • An expedient embodiment of the system is described in claim 11, according to which a second expansion valve is arranged parallel to the expansion valve and can be controlled by a pressure line and a temperature sensor which are arranged between the evaporator and the additional evaporator, the first expansion valve being composed of a pressure line and one Temperature sensor is adjustable, which are arranged between the additional evaporator and the compressor.
  • a second expansion valve is arranged in addition to the expansion valve, the output of which is connected to a line between the evaporator and the additional evaporator and which can be regulated by a pressure line and a temperature sensor which between Additional evaporator and the compressor are arranged, wherein the first expansion valve is controllable by a pressure line and a temperature sensor, which are arranged between the evaporator and the additional evaporator.
  • a more subtle control can be achieved if the system according to claim 13 is provided with an electronic control unit, which is preferably computer-controlled. This requires an also electronically controllable expansion valve.
  • a temperature sensor is connected to the control unit, which lies between the additional evaporator and the compressor. Furthermore, a pressure sensor arranged before and / or after the additional evaporator can improve the control properties of the control unit. A further refinement of the control system results if at least one of the following is provided on the control unit according to claim 14
  • pressure and / or temperature sensors are connected: a) between the compressor and the condenser b) between the evaporator and the additional evaporator.
  • Figure 1 shows the block diagram of a first heat pump
  • Figure 2 shows the temperature diagram of the heat pump of Figure 1
  • FIG 3 shows the pressure diagram of the heat pump of Figure 1
  • FIG. 4 shows the block diagram of a second heat pump
  • Figure 5 shows the block diagram of a third heat pump
  • Figure 6 shows the block diagram of a fourth heat pump. Ways of Carrying Out the Invention
  • the heat pumps shown in FIGS. 1, 4, 5 and 6 each contain a working medium circuit 10, in which an evaporator 12, an additional evaporator 14, a compressor 16, a condenser 18 and an expansion valve 20 via lines 10a, 10b, 10c, 10d, 10e and 10f are connected to each other.
  • 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 additional evaporator 14 and the condenser 18 are each designated by P and the secondary sides by S, which are used as an addition to the respective reference numerals.
  • the supply line 22 and the discharge line 24 of a heat source are connected to the primary side 12P of the evaporator 12.
  • a heat source can have a fluid, such as water, or a gas, such as air, as the heat carrier.
  • Various heat sources are possible, such as the exhaust air from a building or the water of an earth 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, the secondary side 18S of which is connected via the feed line 26 and the discharge line 28 to a heat consumer (not shown in more detail), for example a heating system.
  • the primary side 18P of the condenser 18 is connected to the primary side 14P of the additional evaporator 14 via the line 10a. From there, the line 10e leads to the expansion valve 20, which in turn is connected via line 10f to the secondary side 12S of the evaporator 12.
  • the expansion valve 20 is designed as a thermostatic expansion valve and is connected via a line 30 to a temperature sensor 32, which is arranged downstream of the additional evaporator 14 in line 10b to the compressor 16.
  • a pressure line 34 on line 10b connected, which leads to the expansion valve 20 and serves to control a membrane of the expansion valve. Since the pressure before and after the additional evaporator 14 is approximately the same, the pressure line 34 can also be connected to the line 10a before the additional evaporator 14, as indicated by the dashed line 34a.
  • the additional evaporator 14 is designed as a multi-pass, for example multi-channel additional evaporator and is dimensioned such that it accomplishes 10 to 30%, preferably 15 to 25%, of the total evaporation of the working medium.
  • the evaporator and the additional evaporator are expediently designed as multi-pass evaporators, the additional evaporator 14 having 10 to 30%, preferably 15 to 25%, of the heat exchanger surface of the evaporator 12 in accordance with the evaporation to be created.
  • the expansion valve 12 is actuated and opened via the pressure line 34, as a result of which more working means enters the evaporator 12 and lowers the temperature of the evaporated working fluid until the set value on the suction gas side of the lines 10a, 10b is reached up to the compressor 16. This avoids excessive overheating of the suction gas and thus of the compressor 16, that is to say the overheating of the suction gas can be kept at a minimum value of 6 to 7 K.
  • the key data of the heat pump of Figures 1 to 3 are, for example:
  • a second expansion valve 20a is arranged in parallel, which is connected via a line 36 to a temperature sensor 38 in line 10a between the evaporator 12 and the additional 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 on the basis of the data from the evaporator 12, the supply of the working medium to the evaporator 12 then also being controlled at the same time.
  • a further expansion valve 20b is connected in parallel, the output of which is not connected to the evaporator 12 via the line 42, but rather to the connecting line 10a between the evaporator 12 and the additional evaporator 14
  • Expansion valve 20b is controlled via line 30a from temperature sensor 32 to additional evaporator 14 and pressure line 34a, which is also connected after additional evaporator 14. If the vaporized working medium in line 10b overheats too much, the expansion valve 20b opens and leads working medium directly into the connecting line 10a to the additional evaporator 14 in order to lower the superheating temperature.
  • the first expansion valve 20 controls the supply of working fluid to the secondary side 12S of the evaporator 12 via the line 10f.
  • the expansion valve 20 is connected via a line 44 to a temperature sensor 46 in line 10a from the evaporator 12 to the additional evaporator 14.
  • a pressure line 48 establishes the connection from line 10a to expansion valve 20, so that expansion valve 20 responds to the operating state in line 10a, that is to say immediately after 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 control unit 50 receives the data required for the control via a temperature sensor 54 in the line 10b after the additional evaporator 14 via the line 56.
  • a temperature sensor 54 in the line 10b after the additional evaporator 14 via the line 56.
  • the compressor 16 is another on-the-fly sensor FR fthor Hie Iti in ⁇ RO an Hör Ro ⁇ ol ⁇ inhoit ⁇ n an ⁇ -jcr l gcnn
  • a further temperature sensor 62 is arranged in line 10d between the condenser 18 and the additional evaporator 14 and is connected to the control unit 50 via line 64.
  • a further temperature sensor 66 is arranged in the line 10e between the additional evaporator 14 and the expansion valve 20c and is connected to the control unit 50 via the line 68.
  • a temperature sensor 70 is in turn connected, which is connected to the control unit 50 via the line 72.
  • the temperature and pressure conditions in the exemplary embodiments according to FIGS. 4 to 6 correspond to those of the exemplary embodiment in FIGS. 1 to 3.
  • the thermostatic control of the expansion valve according to FIGS. 1 to 5 in which the overheating of the suction gas is kept at 6 to 7 K. 6, a more subtle control is possible with the electronic control according to the exemplary embodiment in FIG. 6, which enables the overheating to be reduced to 4 K.
  • the electronic control also allows the overheating to be increased, for example from 4 K to 15 K, if hotter water of, for example, 60 ° C from a source of 10 ° C is desired for the consumer and the higher hot gas temperatures are useful for stratified storage , in which the water temperature from the condenser is 8 K higher than the condensation temperature.

Abstract

Verfahren zum Regeln eines Carnot-Kreisprozesses einer Anlage, bei der in ei­nem Arbeitsmittelkreislauf mindestens Folgendes angeordnet ist: ein Verdichter (16), ein Kondensator (18), ein Expansionsventil (20) und ein Verdampfer (12) so­wie ein innerer Wärmetauscher (14). Letzterer wird von dem aus dem Kondensa­tor (18) austretenden kondensierten Arbeitsmittel und von dem aus dem Verdamp­fer (12) austretenden Arbeitsmittel durchströmt. In dem inneren Wärmtauscher wird das gasförmige Arbeitsmittel überhitzt und das kondensierte Arbeitsmittel un­terkühlt, wobei die Überhitzung des Arbeitsmittels mittels des Expansionsventils (20) geregelt wird. Zur Verbesserung der Leistung wird beispielsweise 10 bis 30 % der gesamten Verdampfung des Arbeitsmittels in dem als mehrpassigen Zusatz­verdampfer (14) ausgebildeten inneren Wärmetauscher durchgeführt.

Description

Verfahren zum Regeln eines Carnot-Kreisprozesses sowie Anlage zu seiner Durchführung
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.
Camot-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 v/erden. Der Verdamnfer und der Kondensator und vor allem der innere Wärmetauscher werden dabei derart ausgelegt, dass die Ü- berhitzung 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, wo- durch 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.
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:
a) bei dem eingangs genannten Verfahren durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 ;
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 besa ten Verdampfu g des Arbβitsmittβls 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 vorlie- genden 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 Leistunπ der Anlage besonders vorteilhaft ist es 'edoch wenn gemäss Ansnruch 2 das kondensierte Arbeitsmittel in dem Zusatzverdampfer bis ungefähr auf die Verdampfungstemperatur abgekühlt wird.
Eine besonders einfache Lösung der Regelung des Carnot-Kreisprozesses be- schreibt 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 %, vorzugs- weise 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 darrt 7\ ic-ntywoπHnmnfαr unrl ric-m V/orrHohtαr anne-nπ-in-atc-n T_-_mnoratι ιrf ιhl-_--i'e Q'- nerseits 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 Tempe- raturfühler 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 5 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.
10 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
15 Druck- und/oder Temperaturfühler angeschlossen sind/ist: a) zwischen dem Verdichter und dem Kondensator b) zwischen dem Verdampfer und dem Zusatzverdampfer.
Das erfindungsgemässe optimierte Regel-Verfahren eines Carnot-Kreisprozesses on ontfaltot ςoino
Figure imgf000007_0001
letztere gemäss Anspruch 15 besonders bevorzugt sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Als Wärmepumpen ausgestaltete Ausführungsbeispiele der Erfindung werden 25 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 ;
30 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 Lei- tungen 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 Leitunπ 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 gestrichel- te 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 zweckmäs- siger Weise gleich als mehrpassige Verdampfer ausgestaltet, wobei der Zusatz- Verdampfer 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- Kältemitte! 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 Tem- peratur 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 R407c 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 Expansi- onsventil 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 Zu- satzverdampfer 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 To nprati irffihler FR fthor Hie ' iti inπ RO an Hör Roπolαinhoit ^n anπ-jcr l gcnn 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 Zu- satzverdampfer 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 ei- nerseits 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 erfindunπsnemässen Reπe!unn 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 3442 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 erfin- dungsgemässen Regelung beziehungsweise Anlage von mindestens 12 bis 15 % gegenüber der Lösung nach dem Stand der Technik. Bezugszeichenliste
10 Arbeitskreislauf 36 Leitung
10a Leitung 38 Temperaturfühler
10b Leitung 40 Druckleitung
10c Leitung 42 Leitung
10d Leitung 44 Leitung
10Θ Leitung 46 Temperatur
10f Leitung 48 Druckleitung
12 Verdampfer 50 Regeleinheit
14 Zusatzverdampfer 52 Leitung
16 Verdichter 54 Temperaturfühler
18 Kondensator 56 Leitung
20 Expansionsventil 58 Temperaturfühler
20a Expansionsventil 60 Leitung
20b Expansionsventil 62 Temperaturfühler
20c Expansionsventil 64 Leitung
22 Zuleitung 66 Temperaturfühler
24 Δhloi+i mπ RO Leitung
26 Zuleitung 70 Temperaturfühler
28 Ableitung 72 Leitung
30 Leitung 74 Druckfühler
30a Leitung 74a Druckfühler
32 Temperaturfühler 76 Leitung
34 Druckleitung 76a Leitung
34a Druckleitung

Claims

Patentansprüche
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 wer- den, wobei die Überhitzung des Arbeitsmittels mittels des Expansionsventils
(20,20a,20b,20c) geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass man einen Teil der gesamten Verdampfung des Arbeitsmittels in dem als mehrpassigen Zusatzverdampfer (14) ausgebildeten inneren Wärmetauscher durchführt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass man 10 bis 30%, vorzugsweise 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 Arbeitsmitte! 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 die- ses 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 Regel- 5 einheit (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 10 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:
15 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 Arbeitsmitterdurchströmt wird und in dem das gasförmige Arbeitsmittel überhitzt und das kondensierte Arbeitsmittel gekühlt
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(20,20a,20b,20c) regelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Wärmetauscher als mehrpassiger Zusatzverdampfer (14) ausgebildet ist.
9. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzver- 25 dampfer (14) 10 bis 30%, vorzugsweise 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 zwi-
30 sehen dem Zusatzverdampfer (14) und dem Verdichter (16) angeordneten Tempe- raturfühlers (32) und einer vor oder nach dem Zusatzverdampfer (14) angeschlossenen Druckleitung (34,34a) regelbar ist.
1 1. 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 Temperaturf ühler (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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