CH628416A5

CH628416A5 - Verfahren und waermepumpe zur uebertragung von waerme.

Info

Publication number: CH628416A5
Application number: CH408378A
Authority: CH
Inventors: Manfred R Burger; Waldemar Dukek; Ernst Gagel; Alfred Prechtl; Rudolf Kalmovicz
Original assignee: Manfred R Burger; Waldemar Dukek; Ernst Gagel; Alfred Prechtl; Rudolf Kalmovicz
Priority date: 1977-04-25
Filing date: 1978-04-17
Publication date: 1982-02-26
Also published as: JPS549043A; US4227905A; FR2389081A1; DE2718265C3; FR2389081B1; DE2718265B2; GB1588682A; DE2718265A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von Wärme zwischen zwei getrennten Fluidströmen mit Hilfe eines geschlossenen Kältemittelkreislaufs, durch den ein Kältemittel nacheinander verdampft, komprimiert, verflüssigt und entspannt wird und durch Wärmeaustausch mit den Fluidströmen einerseits die Verdampfungswärme aufnimmt, anderseits die Kondensationswärme abgibt, sowie eine Wärmepumpe zur Durchführung dieses Verfahrens.

Wärmepumpen sind in verschiedenen Ausführungsformen, insbesondere auch als kombinierte Heiz- und Kühlgeräte bekannt. Bei einigen Bauformen kombinierter Geräte erfolgt die Umschaltung zwischen Heiz- un Kühlbetrieb durch Umschaltung des Kältekreislaufs, bei anderen dagegen durch Umschaltung von zwei getrennten Fluidströmen, die beispielsweise durch Aussenluft und durch Innenluft innerhalb eines Gebäudes gebildet werden und wahlweise mit dem Verdampfer oder Kondensator des Kältekreislaufs in Wärmeaustausch gebracht werden. Die Erfindung befasst sich insbesondere, jedoch nicht ausschliesslich, mit der letzteren Bauform. Zum Stand der Technik wird auf die DE-OS 2 542 728 Bezug genommen.

Bei Wärmepumpen, insbesondere bei überwiegend für Heizungszwecke verwendeten Wärmepumpen, ist aus Gründen der Energieersparnis eine hohe Leistungsziffer, d. h. ein hohes Verhältnis von Heizleistung zur aufgewendeten elektrischen Energie, zum Antreiben des Kompressors und der Nebenaggregate wünschenswert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Leistungsziffer einer Wärmepumpe zu verbessern.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht bei einem Verfahren gemäss dem Oberbegriff darin, dass man bei Heizbetrieb das Kältemittel vor der Entspannung durch die bei der Kompression entstehende Abwärme erwärmt.

Durch diese Massnahme ergibt sich eine Erhöhung der Temperatur des Kältemittels vor dem Drosselventil und im Verdampfer. Daraus ergibt sich, dass die spezifische Wärme zur Verdampfung des Kältemittels verringert wird, so dass der Durchsatz des Kältemittels erhöht werden kann. Dieser erhöhte Durchsatz führt zu einer erhöhten Wärmeabgabe im Kondensator. Diese Zusammenhänge sollen weiter unten anhand von Beispielen näher erläutert werden.

Die von einem Kompressor abgegebene Abwärme reicht in jedem Falle für die erforderliche Wärme des Kältekreislaufs aus, wie später näher erläutert werden soll.

Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Kältemittelkreislauf vor der Erwärmung durch die Abwärme des Kompressors durch Wärmeaustausch mit dem zur Verdampfung verwendeten Fluidstrom gekühlt und der Fluidstrom zugleich erwärmt. Aufgrund dieser Erwärmimg des Fluidstroms steht im Verdampfer eine grössere Wärmemenge zur Verdampfung des Kältemittels zur Verfügung.

Die erfindungsgemässe Wärmepumpe umfasst einen Verdampfer, einen Kompressor, einen Kondensator und ein Drosselventil und ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor einen Wärmetauscher mit einem Einlass und einem Auslass aufweist und dass Auslass und Einlass mit Zweigleitungen verbunden sind, die von einer vom Kondensator kommenden Leitung nacheinander vor dem Drosselventil abzweigen.

Ausführungsformen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen definiert.

Im folgenden werden bevorzugte Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist ein schematisches Schaltbild einer herkömmlichen Wärmepumpe;

Fig. 2 und 3 sind zwei Schaltbilder erfindungsgemässer Wärmepumpen.

In Fig. 1 ist ein Kältemittelkreislauf gezeigt, der einen Verdampfer 10, einen Kompressor 12, einen Kondensator 14 und ein Drosselventil 16 einschliesst, die durch Leitungen 18, 20,22 zu einem geschlossenen Kreis verbunden sind. Das Drosselventil 16 ist im wesentlichen unmittelbar vor dem Verdampfer 10 angebracht.

Die Leitungen 18 und 22, die den Verdampfer 10 und den Kondensator 14 verlassen, sind in einem Wärmetauscher 24 zusammengeführt, der als solcher bekannt ist und einen sogenannten inneren Wärmeaustausch des Kältemittelkreislaufs durchführt.

Es soll davon ausgegangen werden, dass der Kältemittelkreislauf innerhalb eines zu klimatisierenden Gebäudes angeordnet ist. Bei dem dargestellten Heizbetrieb steht der Verdampfer 10 über Leitungen 26,28 mit einem Wärmetauscher 30 in Verbindung, der ausserhalb eines Gebäudes einen Wärmeaustausch mit der Umgebungsluft durchführt und deren

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Wärme an eine Übertragungsflüssigkeit, beispielsweise eine Sole, überträgt, die in den Leitungen 26, 28, dem Wärmetauscher 30 und dem Verdampfer 10 zirkuliert. Für nähere Einzelheiten kann auf die oben erwähnte DE-OS 2 542 728 Bezug genommen werden.

Die in den Leitungen der Fig. 1 dargestellten Pfeile geben die Umlaufrichtung des Kältemittels bzw. der Sole wieder.

Die in Fig. 2 gezeigten Bauteile stimmen im wesentlichen mit denjenigen der Fig. 1 überein, so dass sie mit gleichen Bezugsziffern versehen sind und nicht erneut erläutert werden müssen. Der Unterschied dieser erfindungsgemässen Ausführungsform gegenüber derjenigen der Fig. 1 besteht ausschliesslich darin, dass die den Kondensator verlassende und in das Drosselventil 16 eintretende Leitung 22 vor dem Drosselventil 16 mit zwei Zweigleitungen 32, 34 verbunden ist, die an ihren anderen Enden mit Einlass 38 und Auslass 40 eines nicht näher dargestellten Kühlmantels 36 des Kompressors 12 verbunden sind. Kompressoren mit derartigen Kühlmänteln sind als solche bekannt und sollen daher nicht näher erläutert werden. In dem zwischen den Leitungen 32, 34 liegenden Abschnitt der Leitung 22 ist ein Schliessventil 42 vorgesehen. Wenn das Schliessventil 42 geschlossen wird, wird das Kältemittel durch die Leitung 32, den Kühlmantel 36 und die Leitung 34 hindurchgedrückt, so dass ein Wärmeaustausch mit dem Kompressor 12 stattfindet und dessen Joulesche Wärme aufgenommen werden kann. Auf die Wirkungsweise dieser Anordnung soll später genauer eingegangen werden.

Fig. 3 zeigt eine weitere verbesserte Ausführungsform der Erfindung, bei der wiederum wesentliche Bauteile mit Fig. 1 und einige Bauteile mit Fig. 2 übereinstimmen und entsprechend gekennzeichnet sind und nicht erneut erläutert werden sollen.

Der Unterschied der Ausführungsform gemäss Fig. 3 gegenüber derjenigen der Fig. 2 besteht ausschliesslich darin, dass die Leitung 22 des Kältemittelkreislaufs nach dem Verlassen des Kondensators 14 durch einen Wärmetauscher 44 hindurchgeführt wird, der einen Wärmetausch mit dem Fluidstrom in der Leitung 26 herbeiführt, durch die beispielsweise Sole von dem Aussen-Wärmetauscher 30 zu dem Verdampfer 10 strömt. Auf diese Weise wird die Temperatur des Kältemittels gesenkt und diejenige der Sole erhöht.

Auf die thermodynamische Seite dieser Massnahme soll später eingegangen werden. Der Kühlmantel 36 des Kompressors 12 ist auch in diesem Falle vorgesehen. Wenn das Schliessventil 42 geschlossen ist, strömt das Kältemittel von dem Wärmetauscher 44 durch den Kühlmantel 36 des Kompressors hindurch und wird dort erwärmt, bevor es durch das Drosselventil 16 hindurchgeht und in den Verdampfer 10 eingespritzt wird.

Bei den Ausführungsformen der Erfindung gemäss Fig. 2 und 3 wird das Schliessventil 42 nur bei Heizbetrieb geschlossen und bei Kühlbetrieb offengehalten, so dass bei Kühlbetrieb das Kältemittel unmittelbar durch das Schliessventil 42 in das Drosselventil 16 gelangt. Bei geöffnetem Schliessventil 42 läuft das Kältemittel unmittelbar durch das Schliessventil hindurch, da dies den Weg des geringeren Widerstands darstellt.

Im folgenden soll die thermodynamische Bilanz der drei Wärmepumpen gemäss Fig. 1 bis 3 anhand eines Versuchsbeispiels wiedergegeben werden. Die Temperaturen an den einzelnen Punkten des Kältemittelkreislaufs sind in den Figuren eingekreist angegeben. Die Temperaturen sind jeweils gemessen in °C.

Bei der herkömmlichen Wärmepumpe gemäss Fig. 1 wird das Kältemittel im Verdampfer 10 bei einer Verdampfungstemperatur von — 10°C verdampft und verlässt den Verdampfer nach einer gewissen Überhitzung mit — 2°C. In dem Wärmetauscher 24 wird es auf +15°C erwärmt und mit dieser Temperatur komprimiert. Am Austritt des Kompressors 12 weist es eine Temperatur von +90°C auf. Mit dieser Temperatur tritt es in den Kondensator 14 ein, wird dort kondensiert und verlässt den Kondensator mit +40°C. Im Wärmetauscher 24 wird es auf +23°C gekühlt und durch das Drosselventil 16 in den Verdampfer 10 eingespritzt.

Bei der erfindungsgemässen Ausführungsform der Fig. 2 wird das Kältemittel nach dem Verlassen des Wärmetauschers 24 von einer Temperatur von +23°C durch die Abwärme des Kompressors 12 auf + 35°C erwärmt und dann eingespritzt. Dadurch erhöht sich die Verdampfungstemperatur auf — 6°C. Die übrigen Temperaturwerte bleiben unverändert.

In diesem Zusammenhang ist daraufhinzuweisen, dass ein Kompressor eine Abwärme in einer Grössenordnung von 40 bis 60% je nach Grösse aufweist, die für die erforderliche Erwärmung des Kältemittels ohne weiteres ausreicht. Der für die Versuche verwendete Kompressor hatte eine Leistung von 2,2 kW bei einer Abwärme von 1,4 kW oder 1204 kcal.

Bei der Ausführungsform der Fig. 3 wird das Kältemittel nach dem Verlassen des Wärmetauschers 24 von +23°C in dem Wärmetauscher 44 auf ±0°C abgekühlt und anschliessend im Kompressor wieder auf +23°C erwärmt. Aufgrund der im Wärmetauscher 44 an die Sole in der Leitung 26 übertragenen zusätzlichen Wärme erhöht sich die Verdampfungstemperatur im Verdampfer 10 auf — 5°C. Die übrigen Temperaturwerte stimmen wiederum mit den vorangegangenen Ausführungsformen überein.

Da die Leistungsziffer der Wärmepumpe wesentlich von dem Durchsatz des Kältemittels in dem Verdampfer 10 abhängig ist, sollen die Durchsätze im folgenden für die Beispiele der Fig. 1 bis 3 verglichen werden. Für jedes Beispiel soll davon ausgegangen werden, dass von dem Wärmetauscher 30 4000 kcal/h bei ±0°C Soletemperatur zugeführt werden. Da nur diese Wärmemenge von 4000 kcal/h zur Verdampfung des Kältemittels im Verdampfer zur Verfügung steht, ergibt sich der Durchsatz des Kältemittels im Verdampfer als Quotient aus der zugeführten Wärmemenge und der spezifischen Wärme, die pro Mengeneinheit des Kältemittels zum Verdampfen benötigt wird:

^ , zugeführte Wärme

Durchsatz =

Enthalpiedifferenz bei Verdampfung

Diese Rechnung soll im folgenden für die Fälle der Fig. 1 bis 3 durchgeführt werden. Die Enthalpiewerte gelten für das bekannte Kältemittel R12.

Falli

Enthalpie vor der Einspritzung (+23°C, flüssig:

105,20 kcal/kg Enthalpie des verdampften Kältemittels (— 10°C, gasförmig): 135,37 kcal/kg Enthalpiedifferenz bei Verdampfung: 30,17 kcal/kg Durchsatz des Kältemittels:

4000 kcal/h 30,17 kcal/kg

Durchsatz: 132,58 kg/h

Fall 2

Enthalpie vor der Einspritzung (nach Erwärmung durch den

Kompressor) (+35°C, flüssig): 108,02 kcal/kg Enthalpie des verdampften Kältemittels (—6°C, gasförmig): 135,80 kcal/kg

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Enthalpiedifferenz bei Verdampfung: 27,78 kcal/kg Durchsatz des Kältemittels:

4000 kcal/h 27,78 kcal/kg

Durchsatz: 143,99 kg/h

Fall 3

Enthalpie vor der Einspritzung (nach Kühlung im

Wärmetauscher 44 und Erwärmung im Kompressor 12) (+23°C, flüssig): 105,20 kcal/kg Enthalpie des verdampften Kältemittels

(—5°C, gasförmig): 135,90 kcal/kg Enthalpiedifferenz bei Verdampfung: 30,70 kcal/kg Durchsatz des Kältemittels:

Für die Berechnung des Durchsatzes ist in diesem Falle zu berücksichtigen, dass dem Verdampfer nicht nur 4000 kcal/h Wärme zugeführt wird, sondern dass sich durch die Erwärmung der Sole in dem Wärmetauscher 44 eine zusätzliche Wärmezufuhr ergibt. Da in diesem Wärmetauscher 44 das Kältemittel von +23°C auf ±0°C abgekühlt wird,

nimm die Sole in der Leitung 26 folgende Wärmemenge auf: Enthalpie des Kältemittels (+23°C, flüssig):

105,20 kcal/kg Enthalpie des Kältemittels (±0°C, flüssig):

100,00 kcal/kg Enthalpiedifferenz im Wärmetauscher 44: 5,20 kcal/kg

Diese Enthalpiedifferenz, multipliziert mit dem Kältemitteldurchsatz im Wärmetauscher 44, ergibt diejenige Wärmemenge, die im Verdampfer zusätzlich zur Verdampfung zur Verfügung steht. Es gilt daher folgende Beziehung für den Durchsatz x:

4000 kcal/h+(5,20 kcal/kg • x kg/h) 30,70 kcal/kg

Durchsatz x= 156,86 kg/h

Demnach ergibt sich im Fall 1 ein Durchsatz von 132,58 kg/h, im erfindungsgemässen Falle 2 ein Durchsatz von 143,99 kg/h und im erfindungsgemässen Falle 3 ein Durchsatz von 156,86 kg/h, so dass die Fälle 2 und 3 und insbesondere Fall 3 eine deutliche Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik darstellen. Da das Kältemittel unter im übrigen gleichen Bedingungen im Kondensator verflüssigt wird und dabei Wärme abgibt, bedeutet ein höherer Kältemitteldurchsatz eine erhöhte Abgabe von Nutzwärme.

Bei dem für die Ausführungsform der Fig. 2 ermittelten Durchsatz von 156,86 kg/h ergibt sich folgende Wärmemenge, die durch den Kompressor zu liefern ist. Eine Erwärmung von +23°C auf +35°C entspricht einer Enthalpiedifferenz des flüssigen Kältemittels von 108,02—105,2=2,82 kcal/kg. Multipliziert man diesen Wert mit einem Durchsatz von 156,86 kg/h, so ergibt sich ein Wärmebedarf von 442,34 kcal/h;

Im Falle der Ausführungsform der Fig. 3 muss das Kältemittel von ±0°C auf +23°C erwärmt werden. Dies entspricht einer Enthalpiedifferenz von 5,20 kcal/kg. Bei einem Durchsatz von 143,99 kg/h besteht daher ein Wärmebedarf von 784,74 kcal/h, die ebenfalls ohne weiteres geliefert werden können.

Bei der Ausnutzung der Wärme des Kompressors ist zu beachten, dass der Kompressor nicht zu stark abgekühlt werden darf, da in diesem Falle thermische Spannungen zwischen den gekühlten, örtlich begrenzten Bereichen des Kompressors und den von der Kühlflüssigkeit weniger erreichten wärmeren Bereichen entstehen. Auf der anderen Seite darf die Temperatur der Kühlflüssigkeit nicht zu hoch sein, da dann kein nennenswerter Wärmeübergang zu erwarten ist.

Es ist bekannt, die von dem Kompressor erzeugte Abwärme zur Überhitzung des Kältemittels an der Saugseite des Kompressors zu verwenden, jedoch führt eine Überhitzung zu einer beträchtlichen Einschränkung der Lebensdauer des Kompressors.

Aus diesem Grunde erscheint die Verwendung der Abwärme des Kompressors im Sinne des Vorschlags der Erfindung als besonders zweckmässig.

Abschliessend sei noch daraufhingewiesen, dass die Ausführungsform gemäss Fig. 3 dahingehend variiert werden kann, dass der Wärmetauscher 24, der die Leitung 18 und 22 aufnimmt, fortgelassen werden kann oder zumindest verkleinert werden kann.

Wenn der Wärmetauscher 24 fortgelassen wird, erreicht der Kältekreislauf den Wärmetauscher 44 mit einer Temperatur von +40°C im angenommenen Beispiel. Für den Durchsatz x ergibt sich also folgende abgewandelte Berechnung:

4000 kcal/h+9,22 kcal/kg • x kg/h

X 30,70 kcal/kg

Durchsatz x=186,21 kg/h.

Da im Wärmetauscher 44 eine grössere Wärmemenge an die Sole in der Leitung 26 abgegeben wird, erhöht sich das Wärmeangebot im Verdampfer 10, so dass das Kältemittel mit höherem Durchsatz verdampft werden kann. Inwieweit 361sdiese Massnahme überhaupt oder in vollem Umfang zur Verbesserung des Durchsatzes herangezogen werden kann, hängt u.a. davon ab, dass der Verdampfer 10 eine ausreichende Überhitzung des Kältemittels zur Erzielung eines stabilen Dampfes liefert.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

628416 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Übertragung von Wärme zwischen zwei getrennten Fluidströmen mit Hilfe eines geschlossenen Kältemittelkreislaufs, durch den ein Kältemittel nacheinander verdampft, komprimiert, verflüssigt und entspannt wird und durch Wärmeaustausch mit den Fluidströmen einerseits die Verdampfungswärme aufnimmt, anderseits die Kondensationswärme abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass man bei Heizbetrieb das Kältemittel vor der Entspannung durch die bei der Kompression entstehende Abwärme erwärmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man das Kältemittel vor der Erwärmung durch die bei der Kompression entstehende Abwärme durch Wärmeaustausch mit dem zur Verdampfung verwendeten Fluidstrom kühlt und diesen Fluidstrom zugleich erwärmt.

3. Wärmepumpe zur Durchführung des Verfahrens gemäss Anspruch 1, mit einem Kältemittelkreislauf, der einen Verdampfer (10), einen Kompressor (12), einen Kondensator (14) und ein Drosselventil (16) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor (12) einen Wärmetauscher (36) mit einem Einlass (38) und einem Auslass (40) aufweist und dass Einlass und Auslass mit Zweigleitungen (32, 34) verbunden sind, die von einer vom Kondensator (14) kommenden Leitung (22) nacheinander vor dem Drosselventil (16) abzweigen.

4. Wärmepumpe nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch ein Umschaltventil (42) in dem Kältemittelkreislauf, das eine wahlweise Einschaltung des Wärmetauschers (36) des Kompressors (12) in den Kältemittelkreislauf gestattet.

5. Wärmepumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschaltventil ein Schliessventil (42) ist, das in der Leitung (22) zwischen den Zweigleitungen (32, 34) angeordnet ist.

6. Wärmepumpe nach Anspruch 3, zur Durchführung des Verfahrens gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel stromaufwärts der Zweigleitungen (32, 34) einen Wärmeaustauscher (44) durchläuft, in dem ein Wärmeaustausch mit dem Fluidstrom erfolgt, der den Verdampfer (10) zur Lieferung der Verdampfungswärme durchläuft.

7. Wärmepumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaustausch mit dem in den Verdampfer (10) eintretenden Fluidstrom (26) erfolgt.