DE2639339A1 - EVAPORATOR ARRANGEMENT FOR HEAT PUMPS, PROTECTED AGAINST ICING, TO RECEIVE HEAT FROM THE AMBIENT AIR - Google Patents

Description

DR-JOACHiM STEFFENSDR-JOACHiM STEFFENS

DIPLOM-CHEMIKER UND PATENTANWALTDIPLOMA CHEMIST AND PATENT ADVOCATE

6032 LOCHHAM/MONCHEN MOZARTSTRASSE 24 TELEFON· (0811) 872551 TELEXi (05) 29830 staff d TELEORAMMEi ELASTOPAT6032 LOCHHAM / MONCHEN MOZARTSTRASSE 24 TELEPHONE (0811) 872551 TELEXi (05) 29830 staff d TELEORAMMEi ELASTOPAT

30. August 1976August 30, 1976

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Motorheizung GmbH BÖdekerstr. 73, 3 HannoverMotorheiz GmbH BÖdekerstr. 73, 3 Hanover

Vor Vereisung gesicherte Verdampferanordnung für Wärmepumpen zur Aufnahme von Wärme aus der UmgebungsluftEvaporator arrangement for heat pumps secured against icing up to absorb heat from the ambient air

Die vorliegende Erfindung betrifft eine vor Vereisung gesicherte Verdampferanordnung, insbesondere in enger Bauart, für Wärmepumpen zur Aufnahme von Wärme aus der Umgebungsluft. The present invention relates to an evaporator arrangement secured against icing, in particular in a narrow design, for heat pumps to absorb heat from the ambient air.

Es ist bekannt, daß sich Wärmepumpen für Heizzwecke dadurch auszeichnen, daß sie mittels ihrer Verdampfer ihrer Umgebung Wärme entziehen und diese in Form von Heizenergie wieder freigeben. Die Umgebungswärme wird dabei praktisch mit Hilfe eines Arbeitsmittels (z.B. Frigene, wie Difluordichlormethan = CF₂Cl₂ «* Handelsbezeichnung F 12) von einem niedrigeren Temperaturniveau auf ein höheres Temperaturniveau gleichsam hinaufgepumpt und dann erst über einen Wärmeaustauscher an das Heizungssystem abgegeben. Wärmepumpen haben somit den Vorteil, daß man mit ihnen mehr Heizenergie gewinnen kann als man zum Antrieb der Wärme-It is known that heat pumps for heating purposes are characterized in that they extract heat from their surroundings by means of their evaporators and release it again in the form of heating energy. The ambient heat is practically pumped up from a lower temperature level to a higher temperature level with the help of a working medium (e.g. Frigene, such as difluorodichloromethane = CF ₂ Cl ₂ «* trade name F 12) and only then released to the heating system via a heat exchanger. Heat pumps therefore have the advantage that you can gain more heating energy with them than you can drive the heat

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pumpen benötigt, da sie mittels ihrer Verdampfer zusätzlich Energie aus der Umgebungswärme aufnehmen. Derartige Wärmepumpen werden beispielsweise mit Elektromotoren angetrieben und ergeben im Verhältnis zur eingespeisten elektrischen Energie einen sehr guten Energienutzungsgrad. Allerdings hängt die Wirtschaftlichkeit solcher elektrisch betriebener Wärmepumpen vom Strompreis, d.h. der eingesetzten Primärenergie, ab. Dort, wo die Primärenergie beispielsweise Heizöl ist, ergibt der Umweg über die elektrische Energie einen relativ schlechten Energienutzungsgrad. In solchen Fällen ist es besser, man treibt die Wärmepumpen direkt mit einem Dieselmotor an.pumps because they also absorb energy from the ambient heat by means of their evaporators. Such heat pumps are driven for example with electric motors and result in relation to the fed-in electric Energy has a very good energy efficiency. However, the economics of such electrically operated depends Heat pumps from the electricity price, i.e. the primary energy used, away. Where the primary energy is heating oil, for example, the detour via electrical energy results in one relatively poor energy efficiency. In such cases it is better to drive the heat pumps directly with one Diesel engine on.

Bei Wärmepumpen, die zur Beheizung von Räumen dienen und bei denen die Verdampfer sich die zusätzliche Energie aus der Umgebungsluft holen, stehen die Verdampfer üblicherweise direkt mit der Außenluft in Verbindung. Da die Beheizung von Räumen insbesondere dann erfolgt, wenn es "draußen" kalt ist, beispielsweise bei Außentemperaturen von -5 bis +5°»besteht für den Verdampfer, bedingt durch die auch noch bei diesen Temperaturen vorhandene Luftfeuchtigkeit, die Gefahr des Vereisens, wodurch der Wärmeübergang sehr stark herabgesetzt wird. Dies gilt insbesondere für kompakte Verdampfer, d.h. Verdampfer in enger Bauart, die aus Gründen der Platzersparnis eine lamellenartige Konstruktion nach Art der Autokühler mit Zwangsbelüftung aufweisen. Bei diesen Verdampfern wird sogar durch die Vereisung der Luftdurchsatz und damit die Aufnahme von Wärme aus der Umgebungsluft unterbunden, wodurch der Energienutzungsgrad der Wärmepumpe soweit absinkt, daß die Heizung nahezu unwirksam wird.In the case of heat pumps that are used to heat rooms and where the evaporator draws the additional energy from the Fetching ambient air, the evaporators are usually in direct contact with the outside air. As the heating of rooms takes place especially when it is cold "outside", for example at outside temperatures of -5 to + 5 ° »exists for the evaporator, due to the humidity that is still present at these temperatures, the risk of freezing, which greatly reduces the heat transfer. This is especially true for compact ones Evaporator, i.e. evaporator in a narrow design, which has a lamellar construction to save space like the car cooler with forced ventilation. With these evaporators, the air throughput is even reduced by icing and thus the absorption of heat from the ambient air is prevented, thereby reducing the energy efficiency of the The heat pump drops so far that the heating is almost ineffective.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Anordnung zu schaffen, mit der es möglich ist, einem Verdampfer einer Wärmepumpe, insbesondere einem solchen in Kompaktbauweise, aus relativ kalter Luft Wärme zuzuführen, ohne daß dabei der Verdampfer vereist.The object of the invention is therefore to provide an arrangement with which it is possible to an evaporator a Heat pump, especially one with a compact design, to supply heat from relatively cold air without doing so the evaporator is icing up.

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Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß in einem geschlossenen Luftkanal, durch den die Umgebungsluft selbständig oder mittels Zwangsbelüftung geführt wird, mindestens zwei Verdampfer hinereinander angeordnet sind, wobei in der ersten Stufe die Verdampfung des Arbeitsmittels in dem Verdampfer bzw. den Verdampfern, die mit der Außenluft zuerst in Berührung kommen, so geregelt ist, daß die Wärmeaustauschflächen dieser Verdampfer so kalt sind, daß an diesen Flächen zwar eine Kondensation des in der Umgebungsluft befindlichen Wasserdampfes stattfindet, nicht aber ein Gefrieren des durch die Kondensation gebildeten und dann abgeleiteten Wassers, und in der zweiten Stufe die Verdampfung des Arbeitsmittels in den nachgeschalteten Verdampfern, die dann mit der relativ trockenen Luft in Berührung kommen, so erfolgt, wie es der übliche Betrieb der Wärmepumpe erfordert.This object is achieved in that in a closed air duct through which the ambient air independently or is performed by means of forced ventilation, at least two evaporators are arranged one behind the other, in the first Stage the evaporation of the working medium in the evaporator or evaporators that come into contact with the outside air first come, is regulated so that the heat exchange surfaces of these evaporators are so cold that on these surfaces condensation of the water vapor in the ambient air takes place, but not freezing of the water formed by the condensation and then discharged, and in the second stage the evaporation of the Working medium in the downstream evaporators, which then come into contact with the relatively dry air, takes place, as the normal operation of the heat pump requires.

Gegenstand der Erfindung ist somit eine vor Vereisung gesicherte Verdampferanordnung für Wärmepumpen zur Aufnahme von Wärme aus der Umgebungsluft, die sich durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angeführten Merkmale auszeichnet.The subject of the invention is thus an evaporator arrangement for receiving heat pumps which is secured against icing of heat from the ambient air, which is characterized by the features listed in the characterizing part of the claim excels.

Gemäß der Erfindung wird somit die Außenluft zunächst in einer ersten Stufe relativ trocken gemacht, bevor sie in einer zweiten Stufe so stark abgekühlt wird wie es der Heizbetrieb zur Aufnahme einer ausreichenden Wärmeleistung des Arbeitsmittels erfordert. Die Trocknung in der ersten Stufe erfolgt durch Abkühlung des Verdampfers auf Temperaturen größer als 0° C oder nur soweit darunter, daß sich an den Wärmetauscherflächen des Verdampfers der ersten Stufe nur tropfbares Wasser bilden kann, das entweder abgeleitet wird oder aber auch für den Heizprozess verwendet werden kann.According to the invention, the outside air is thus first made relatively dry in a first stage, before it is in a second stage is cooled down as much as the heating mode to take up sufficient heat output of the work equipment required. The drying in the first stage takes place by cooling the evaporator to temperatures greater than 0 ° C or only so far below that on the heat exchanger surfaces of the evaporator the first Stage can only form dripping water, which is either diverted or used for the heating process can be.

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Die Regelung der Temperatur des Verdampfers der ersten Stufe geschieht durch Regelung eines ersten Drosselventils in der Arbeitsmittelleitung in Abhängigkeit vom Naßdampfdruck des Arbeitsmittels der ersten Stufe oder aber in Abhängigkeit der Temperatur derselben. Es wird also entweder auf konstanten Naßdampfdruck, oder was ganz ähnliche Wirkung hat, auf konstante Temperatur durch Betätigung des Drosselventils geregelt. Hierauf erfolgt die zweite Drosselung mittels des zweiten Drosselventils, die eine weitere Druckentspannung auf solche Werte bringt, wie sie die notwendige Heizleistung erfordert.The temperature of the evaporator of the first stage is regulated by regulating a first throttle valve in the working medium line as a function of the wet steam pressure of the working medium of the first stage or as a function the temperature of the same. So it is either at constant wet steam pressure, or something quite similar effect has been regulated to a constant temperature by operating the throttle valve. The second throttling then takes place by means of the second throttle valve, which brings a further pressure release to such values as it is necessary Requires heating power.

Das lediglich bei dem Verdampfer der ersten Stufe anfallende tropfbare Wasser kann 79,8 kcal Heizenergie abgeben, wenn man es in einer nachgeschalteten "kleinen Eisfabrik" einfrieren läßt. Zu diesem Zweck wird das Tropfwasser mittels einer volumenschlüssigen (nicht kraftschlüssigen) Wasserpumpe Gefrierkanälen oder Gefrierspalten zugeleitet, aus denen es als leicht zerbrechliches Eis austritt. Dieses Eis kann ohne weiteres einer nützlichen Verwendung zugeführt werden oder aus den Kanälen oder Spalten ausgeschwemmt werden.The dripping water that only occurs in the evaporator of the first stage can give off 79.8 kcal of heating energy, if it is allowed to freeze in a downstream "small ice cream factory". For this purpose, the dripping water is by means of a volumetric (non-frictional) water pump is fed to freezing channels or freezing crevices which it emerges as fragile ice. This ice can easily be put to useful use or be washed out of the channels or crevices.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die beigefügte, aus sich selbst heraus verständliche Figur verwiesen, wobei bemerkt wird, daß sich die Erfindung nicht auf diese spezielle Ausführungsform beschränkt. Die Figur zeigt in schematischer Darstellung einen Wärmepumpenkreislauf mit der erfindungsgemäßen Anordnung der Verdampfer 2,3 in dem geschlossenen Luftkanal 1. Die Auffangwanne für das Kondenswasser ist mit 4 und die Abflußvorrichtung für das Kondenswasser mit 5 bezeichnet.To further explain the invention, reference is made to the enclosed figure, which is self-explanatory, it should be noted that the invention is not limited to this particular embodiment. The figure shows a schematic representation of a heat pump circuit with the arrangement of the evaporators 2, 3 according to the invention in the closed air duct 1. The collecting tray for the Condensation water is denoted by 4 and the drainage device for the condensed water is denoted by 5.

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Claims (1)

Patentanspruch fj Claim fj Vor Vereisung gesicherte Verdampferanordnung für Wärmepumpen zur Aufnahme von Wärme aus der Umgebungsluft, dadurch gekennzeichnet, daß in einem geschlossenen Luftkanal (1), durch den die Umgebungsluft selbständig oder mittels Zwangsbelüftung geführt wird, mindestens zwei Verdampfer (2,3) hintereinander angeordnet sind, wobei in der ersten Stufe die Verdampfung des Arbeitsmittels in dem Verdampfer (2) bzw. den Verdampfern (2), die mit der Außenluft zuerst in Berührung kommen, so geregelt ist, daß die Wärmeaustauschflächen dieser Verdampfer (2) so kalt sind, daß an diesen Flächen zwar eine Kondensation des in der Umgebungsluft befindlichen Wasserdampfes stattfindet, nicht aber ein Gefrieren des durch die Kondensation gebildeten und dann abgeleiteten Wassers, und in der zweiten Stufe die Verdampfung des Arbeitsmittels in den nachgeschalteten Verdampfern (3), die dann mit der relativ trockenen Luft in Berührung kommen, so erfolgt, wie es der übliche Betrieb der Wärmepumpe erfordert. Evaporator arrangement for heat pumps secured against icing for absorbing heat from the ambient air, characterized in that in a closed air duct (1), through which the ambient air is passed independently or by means of forced ventilation, at least two evaporators (2,3) are arranged one behind the other, with the evaporation of the working medium in the evaporator (2) in the first stage or the evaporators (2), which come into contact with the outside air first, is regulated so that the heat exchange surfaces this evaporator (2) are so cold that there is condensation on these surfaces in the ambient air Water vapor takes place, but not freezing of that formed by the condensation and then discharged Water, and in the second stage the evaporation of the working medium in the downstream evaporators (3), which then come into contact with the relatively dry air, takes place as the normal operation of the heat pump requires. 809810/0168809810/0168 ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED