WärmepumpenanIage. Die Erfindung betrifft eine Wärme pumpenanlage, deren Wärmebedarf aus See-, Fluss- oder Grundwasser entnommen wird, das heisst einem Gewässer, dessen Temperatur bis nahe an den Gefrierpunkt sinken kann.
Bei Röhrenverdampfern. für Wärmepum- penanlagen dieser Art kann sich an den Ver- dampferrohren bekanntlich Eis ansetzen, so bald die Temperatur des wärmespendenden Wassers bei gegebener Verdampferbelastung unter einen bestimmten Wert sinkt. Das hängt damit zusammen, dass dem Wasser, selbst wenn es eine Temperatur von z. B. nur noch 1 C hat, vom Wärmeträger, falls er im Innern des Verdampfers eine Tempera tur von weniger als 0 C aufweist, nach wie vor Wärme entzogen wird.
Wenn daher am Röhrenverdampfer nicht bestimmte Vorkeh rungen getroffen werden, so besteht die Ge fahr, dass bei tiefen Wassertemperaturen der Eisansatz an den Verdampferrohren immer dicker und infolgedessen der Wärmeaustausch zwischen dem wärmespendenden Wasser und dem den Röhrenverdampfer durchlaufenden Wärmeträger durch Eisansätze mit der Zeit ganz unterbunden wird. Der Betrieb muss dann unterbrochen werden, damit das Eis auf irgendeine Art von den Verdampfe.rroh- ren entfernt werden kann.
Ein solcher Be- triebsunterbruch wird aber als besonders gro sser Nachteil empfunden, da er sich gerade bei atmosphärischen Temperaturverhältnissen einstellen wird, die erst recht ein starkes Heizen von Räumen erfordern. Um das an den Rohren von Röhren verdampfern angesetzte Eis zu entfernen, ist schon vorgeschlagen worden, bei starker Eis bildung den Verdichter von Wärmepumpen anlagen, die nach Art der Kompressions- Kältemaschinen arbeiten, abzustellen und das Eis durch wärmespendendes Wasser, das nach wie vor durch den Röhrenverdampfer fliesst,
abtauen zu lassen. Zu diesem Zwecke wurden wenigstens zwischen den einzelnen Reihen der Verdampferrohre so grosse Ab stände vorgesehen, dass selbst bei starker Eis bildung die bei abgestellter Wärmepumpe für das Abtauen benötigte Wassermenge noch zwischen den Verdampferrohren durch fliessen kann.
Zweck der Erfindung ist nun, eine Wärmepumpenanlage zu schaffen, die auch bei Temperaturen des wärmespendenden Wassers, die nahe am Gefrierpunkt liegen, einen durchgehenden Betrieb der Anlage er möglicht.
Die Erfindung beruht auf folgenden Erkenntnissen: Der Eisansatz an den Ver- dampferrohren einer Wärmepumpenanlage ist eine Funktion der Temperatur des wärme spendenden Wassers, der Geschwindigkeit, mit der dasselbe den Verdampfer durch strömt, und der Verdampfungstemperatur des Wärmeträgers der Wärmepumpe in den Ver- dampferrohren. Die Bildung einer Eisschicht an den Verdampferrohren hat zur Folge, dass die Verdampfungstemperatur sinkt,
weil dann die nun vorhandene Eisschicht die Wärmeübertragung vom wärmespenden den Wasser zu dem im Verdampfer Wärme aufnehmenden Wärmeträger erschwert. Bei einer Verdampfungstemperatur des Wärme trägers, die unter 0 C liegt, wächst nun die Eisschicht, die sich an der Aussenseite der Verdampferrohre gebildet hat, bis sich an der Oberfläche der Eisschicht eine Tempe ratur von 0 C einstellt, in welchem Falle dann jede weitere Eisbildung an der betref fenden Oberfläche selbstverständlich auf hört, der Eisansatz also nicht mehr zu nimmt.
-Die radiale Stärke der Eisschicht, die sich an den Verdampferrohren ansetzt, ist bei gegebener Verdampfergrösse und ge gebenem Wärmeträger abhängig von der Temperatur des wärmespendenden Wassers, dem Wärmeübergang von letzterem an die Oberfläche der gebildeten Eisschicht, also von der Strömungsgeschwindigkeit des wärmespendenden Wassers, und ferner von der Verdichterleistung.
Um diesen Erkenntnissen, die für die einzelnen Verdampferrohre gültig sind, in bezug auf die Gesamtheit der Rohre des Röhrenverdampfers einer Wärmepumpen anlage derart Rechnung zu tragen, dass sich bei gegebenen Zwischenräumen zwischen den Verdampferrohren, gegebener Verdich- terleistung,
gegebenem Wärmeträger und bei der bekannten tiefsten Temperatur des wärmespendenden Wassers der Eisbildungs- vorgang im Rohrverband bei gegenseitiger Beeinflussung benachbarter Rohre in glei cher Weise wie am Einzelrohr abspielen kann, ist gemäss der Erfindung die kleinste Entfernung zwischen den benachbarten Verdampferrohren grösser als die doppelte Stärke der Eisschichten, die sich an diesen Rohren bis zu dem Zeitpunkt angesetzt haben,
wo der Eisansatz nicht mehr zu nimmt. Zudem ist die Geschwindigkeit, mit welcher das wärmespendende Wasser nach jenem Zeitpunkte durch den Verdampfer strömt, noch so gross, dass das Zufrieren der Zwischenräume zwischen den Verdamp- ferrohren.verhindext ist. Bei einer Temperatur des wärmespen denden Wassers am Austritt aus dem Ver dampfer von z.
B. 0,5 C sinkt die Wärme leistung der Wärmepumpenanlage, von wel cher der Verdampfer einen Bestandteil bil det, bei gegebener Verdichterleistung und gegebener Verdampfergrösse in dem Falle, wo sich an der Aussenfläche der Eisschich ten, die sich an den einzelnen Verdampfer rohren gebildet haben, die Temperatur von 0 C einstellt, nur um etwa 25 % in bezug auf die Leistung, die sich erzeugen lässt, wenn sich noch kein Eis an den Verdampfer rohren angesetzt hat.
Mit Rücksicht darauf und vor allem auch dann, wenn die Anlage für normale Wassertemperaturen etwas reichlich bemessen wird, lässt sich infolge dessen eine Wärmepumpenanlage nach der Erfindung auch bei einem Eisansatz an den Verdampferrohren doch durchgehend im Be trieb halten.
Auf der beiliegenden Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsform des Erfin- dungsgegenstandes in vereinfachter Darstel- lungsweise veranschaulicht, und zwar zeigt:
Fig. 1 einen Schnitt nach der Linie 1-I der Fig. 2 durch das Mauerwerk, in wel chem der von Flusswasser durchströmte Röhrenverdampfer einer im übrigen nicht gezeigten Wärmepumpenanlage unterge bracht ist, Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 1, und Fig. 3 zeigt in grösserem Massstab einen waagrechten Schnitt durch einen Teil des Verdampfers.
1 und 2 bezeichnen zwei in einem Mauer werk 3 untergebrachte Teile eines Röhren verdampfers einer = Wärmepumpenanlage. Diese Teile 1, 2 sind in bezug auf den um laufenden Wärmeträger der Wärmepumpen anlage in nicht gezeigter Weise in Reihe geschaltet, und sie werden vom Flusswasser durchströmt. Dieses tritt durch einen Rechen 4 in den vom Mauerwerk 3 begrenzten und oben durch abnehmbare Platten 6 abge schlossenen Raum 5 ein und verlässt diesen wieder bei 7, nachdem es jenem Wärmeträ ger die benötigte Verdampfungswärme ge spendet hat.
Jeder der Verdampferteile 1 und 2 weist eine Anzahl von Rohrreihen auf, wobei die Rohre 8 jeder Reihe in bezug auf die Strömungsrichtung des wärmespendenden Wassers hintereinander angeordnet und von diesem in der Hauptsache quer angeströmt werden. Die Rohre 8 jeder Reihe sind unten an ein Verteilrohr 9 und oben an ein Sam- melrohr 10 angeschlossen.
Die verschiedenen Verteilrohre 9 jedes Verdampferteils 1 bezw. 2 sind an eine Eintrittskammer 11 und die verschiedenen Sammelrohre 10 an eine Aus trittskammer 12 angeschlossen. 13 bezeich net eine Propellerpumpe, mit deren Hilfe sich die Geschwindigkeit des durch die Ver- da.mpferteile 1 und 2 strömenden, wärme spendenden Wassers beeinflussen lässt.
In Fig. 3 bezeichnet 14 Eisschichten, die sich an den Verdampferrohren 8 bis zu dem Zeitpunkt gebildet haben, wo sich bei der vorkommenden tiefsten Temperatur des wärmespendenden Wassers und bei der ge gebenen Verdichterleistung für gegebene Verdampfungs- und Verflüssigungstempera turen und bei dem gegebenen Wärmeträger an der Aussenfläche der betreffenden Eis schichten die Temperatur von 0 C einstellt.
Die Entfernung zwischen den einzelnen Roh ren der Verdampferteile 1 und 2 ist nun so gross gewählt, dass die kleinste Entfernung zwischen den Rohren 8 an jeder Stelle min destens etwas gxösser ist als die doppelte Stärke s der Eisschichten, die sich an den Rohren 8 angesetzt haben, bis sich an der Aussenfläche dieser Eisschichten die Tem peratur von 0 C einstellt, also der Eisansatz nicht mehr zunimmt.
Die kleinsten Entfer nungen, die aber an jeder Stelle des Ver dampfers immer noch mindestens den soeben genannten Betrag aufweisen, sind zwischen den Rohren 8 derselben Reihe vorgesehen. Die Entfernung zwischen denjenigen Rohren 8 jedes Verdampfers, die den Durchfluss b für das wärmespendende Wasser zu dem Zeitpunkte festlegen, wo der Eisansatz an diesen Rohren nicht mehr zunimmt, und die Geschwindigkeit, mit welcher das.
Wasser nach jenem Zeitpunkte durch den Verdamp fer strömt, sind noch so gross, dass das Zu frieren der Zwischenräume zwischen den Ver- dampferrohren verhindert ist. Bei einer sol chen Wärmepumpenanlage kann sich der Eisbildungsvorgang im Rohrverband des Verdampfers bei gegenseitiger Beeinflussung benachbarter Rohrreihen in gleicher 'Weise wie am Einzelrohr abspielen, und ferner ver bleibt beim Sicheinstellen der Temperatur von 0 C an der Aussenfläche der Eisschich ten, die sich an den Rohren 8 gebildet haben sollten,
zwischen solchen Eisschichten noch so viel Raum. für das Durchlassen des wärme spendenden Wassers übrig, dass letzteres das weitere Anwachsen der Eisschichten und da mit auch deren Zusammenwachsen verhin dern kann. Zweckmässig werden die Rohre 8 der verschiedenen Reihen in der aus Fig. 3 ersichtlichen Weise in bezug aufeinander versetzt angeordnet, was dazu beiträgt, die Strömung turbulenter zu gestalten. Um bei sich bildenden Eisschichten die durch den Verdampfer fliessende Wassermenge zu be einflussen, kann die Drehzahl der Propeller pumpe 13 entsprechend eingestellt werden. Diese Einstellung kann z.
B. in Abhängig keit von der Verdampfertemperatur erfolgen.
Um sich ein Bild über die Stärke des Eisansatzes an den Verdampf errohren im Be- harrungszustand machen zu können, seien folgende Angaben gemacht:
Angenommen, es werde als Wärmeträger NH3 ver wendet und die Verdichterleistung be trage bei -10 C Verdampfungstempera- tur und -I- 45 C Verflüssigungstemperatur 200 000 kcal/h. Die Verdampferoberfläche sei 150 m2, wobei der mittlere Durchmesser der Verdampferrohre 40 mm beträgt.
Ferner betrage die bekannte tiefste Temperatur, des wärmespendenden Wassers -I-1 C und die Geschwindigkeit, mit der es zwischen den Verdampferrohren hindurchströmt, sei 0,5 m/s. Für diese Verhältnisse ergeben die Berechnungen für die Stärke des Eisansat zes, der sieh an den Verdampferrohren bis zu dem Zeitpunkte angesetzt hat, wo dieser Ansatz nicht mehr zunimmt, 0,5 cm.