DE2745938A1

DE2745938A1 - Verfahren und vorrichtung zur rueckgewinnung von waerme aus kaelte- oder klimatisierungssystemen

Info

Publication number: DE2745938A1
Application number: DE19772745938
Authority: DE
Inventors: Kjartan A Jonsson
Original assignee: Sun-Econ Inc
Current assignee: Sun-Econ Inc
Priority date: 1976-10-27
Filing date: 1977-10-12
Publication date: 1978-05-03
Also published as: NL7711459A; NO773656L; AU2994077A; AT351066B; FR2369519B3; ZA775764B; JPS5828904B2; PT67196A; IL53127A0; ES472988A1; GB1594984A; FI773111A; SE7711773L; US4089667A; CA1059330A; BR7707190A; IT1201031B; DK477077A; JPS5387049A; PL201780A1

Description

möller ■ Steinmeister Sun-Econ, Inc.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Rückgewinnung von Wärme aus Kälte- oder Klimatisierungssystemen gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und des ersten Vorrichtungsanspruchs. 5

Es ist bekannt, Wärmetauscher vorzusehen, die Wärme von dem Kältemittel auf ein Wärmeübertragungsmedium wie Wasser übertragen. Eine derartige Lösung ist in der US-PS 3 922 876 gezeigt. In dieser Patentschrift ist gezeigt, daß das gasförmige Kältemittel durch eine Seite eines Wärmetauscher hindurchgeht, der sich stromaufwärts des Kondensators befindet, so daß Wärme an Wasser abgegeben wird, das intermittierend durch die andere Seite des Wärmetauschers strömt. Zur Steuerung der Kondensation in dem Wärmetauscher umfaßt die erwähnte Vorrichtung ein temperaturempfindliches Ventil, das den Wasserstrom unterbricht, wenn die Wassereinlaßtemperatur auf eine Temperatur abfällt, bei der ein nicht zu akzeptierender Teil des Kältemittels kondensieren würde. Wenn dieses Gerät mit einem Warmwasser-Heizsystem verbunden wird, ist es nicht betriebsfähig für Wassereinlaßtemperaturen unterhalb eines Bereiches von 38 60⁰C, in dem die meisten im Handel erhältlichen Kältemittel vollständig kondensieren. Aus diesem Grunde muß, bis die Wassereinlaßtemperatur ausreichend hoch ist, eine herkömmliehe Warmwasserbeheizung das Wasser erwärmen. Dies führt zu sehr langen Aufbereitungszeiten und sehr geringen Ersparnissen durch Wärmerückgewinnung, insbesondere während der Perioden größeren Bedarfes. Im übrigen geht die in dem gasförmigen Kältemittel enthaltene Wärmemenge verloren, während der Anstieg der Einlaßtemperatur abgewartet werden muß, so daß die Wirtschaftlichkeit der Anlage verringert ist.

Verschiedene andere bekannte Systeme weisen bestimmte zusätzliche Wärmetauscher zur übertragung von Wärme von dem Kältemittel auf ein Warmwassersystem auf. Die US-PS'en

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2 516 093, 2 751 761, 3 188 829, 3 301 002, 3 308 877,

3 366 166, 3 563 304, 3 916 638 und 3 926 008 zeigen typische Kälteanlagen mit Einrichtungen zur Erwärmung von Wasser durch Aufnahme von Wärme des Kältemittels unter Verwendung zusätzlicher Wärmetauscher in einer Position stromaufwärts des herkömmlichen Kondensators. In diesen Fällen ergibt es sich jedoch eindeutig für den Fachmann, daß der zusätzliche Wärmetauscher oder Vorkühler für das Kältemittel, wie er gelegentlich genannt wird, in einem sehr großen Wasservolumen in Bezug auf das Volumen des durch den Wärmetauscher hindurchströmenden Kältemittels bei einem gegebenen Zeitpunkt angeordnet sein muß. Aus diesem Grunde ist, zumindest bis das Wasser im wesentlichen über den üblichen Temperaturbereich städtischen Wassers von 2 bis 13°C aufgeheizt ist, das Kältemittel einer Gefahr vollständiger Kondensation zu einer gesättigten Flüssigkeit in dem Vorkühler oder Wärmetauscher ausgesetzt, so daß der herkömmliche Kondensator das flüssige Kältemittel nur noch unterkühlen kann und der Kompressor durch zusätzliche Arbeit belastet wird, die sich durch das Umwälzen der Flüssigkeit durch einen größeren Teil des Systems ergibt.

Bei Systemen, in denen der Kompressordurchsatz, Rohrlängen, die relative Höhe des Kompressors und des Kondensators, die Anwesenheit von Tiefpunkten, Elemente zur Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit, wie Kniestücke und Bögen in dem Kältemittel-Rohrsystem, die Isolierung des Systems, die Anzahl der Ventile und zugeordnete Faktoren bei der Installation des Systems eingestellt werden können, mag die Anwesenheit derart großer Mengen flüssigen Kältemittels stromaufwärts des herkömmlichen Kondensators in Kauf zu nehmen sein. Wenn es jedoch erwünscht ist, ein vorhandenes System mit einem zusätzlichen Wärmetauscher zur Erwärmung von Wasser auszurüsten, können die System-Parameter in den

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meisten Fällen nicht ohne weiteres in wirtschaftlicher Weise geändert werden.

Da es wünschenswert ist, vorhandene Systeme so wenig wie möglich zu ändern, wenn ein zusätzlicher Wärmetauscher für Warmwasser verwendet werden soll, ist die Menge des flüssigen Kältemittels am Ausgang des zusätzlichen Wärmetauschers von beträchtlicher Bedeutung. Eine zu grosse Flüssigkeitsmenge kann zu Ansammlungen eines Gemisches aus flüssigem Kältemittel und Schmieröl, die üblicherweise mit dem gasförmigen Kältemittel mitgenommen werden, an niedrigen Punkten des Kältekreislauf-Rohrsystems auf dem VJege zu dem herkömmlichen Kondensator oder in dem zusätzlichen Wärmetauscher selbst führen. Wenn diese Flüssigkeitsansammlungen das Rohrsystem des Kältekreislaufs blockieren, erlangt das Rohrsystem stromaufwärts einen zu hohen Druck, da der Kompressor das Gas weiterpumpt, und das Rohrsystem stromabwärts wird abgesaugt, da der Kompressor weiterhin das Kältemittel abzieht. Die Kälteleistung des Systems nimmt ab, bis der Flüssigkeitsstau plötzlich unter dem Einfluß des höheren stromaufwärtigen Druckes durch das System bewegt wird. Diese Bewegung setzt sich mit "Gewehrkugel"-Geschwindigkeit fort, bis ein anderer tiefer Punkt erreicht ist, und der Vorgang wiederholt sich. Wenn die Flüssigkeitsansammlung den Kompressor oder ein anderes wesentliches Bauteil erreicht, können sich ernsthafte Schäden ergeben. Derartige Flüssigkeitsansammlungen können bekanntlich das Rohrsystem zerstören. Andererseits können größere Flüssigkeitsansammlungen, die in den herkömmlichen Kondensator eintreten, zunächst dessen Einlaßbereich und sodann den gesamten Kondensator überfluten und dessen Leistung beeinträchtigen. Daher würde im Zusammenhang mit herkömmlichen Vorschlägen für Kälte- und Klimatisierungssysteme und zusätzliche Wärmetauscher zur Erwärmung eines Mediums wie Wasser nicht zu zufrieden-

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stellenden Ergebnissen führen, wenn ein vorhandenes System modifiziert würde.

Die Erfindung ergibt sich im einzelnen aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs und des ersten Vorrichtung sanpruchs.

Erfindungsgemäß ist ein zusätzlicher Warmwasser-Wärmetauscher für einen Einbau in einem Klimatisierungs- oder Kältesystem in einer Position zwischen dem herkömmlichen Kompressor und dem herkömmlichen Kondensator vorgesehen. Die Bildung von Strömungsblockierungen, Kondensator-Oberflutungen und ähnlichen schädlichen Effekten wird verhindert, indem die Wärmeentzugs-Kapazität des Wärmetauschers so begrenzt wird, daß die Qualität des gasförmigen, den Wärmetauscher verlassenden Kältemittels innerhalb bestimmter Grenzen liegt. Indem sichergestellt wird, daß eine bestimmte Menge des gasförmigen Kältemitteldampfes in dem System auch dann strömt, wenn verhältnismäßig große Mengen des flüssigen Kältemittel-Kondensats vorhanden sind, gewährleistet die Erfindung, daß ein vorhandenes System durch Hinzufügung eines Wärmetauschers zur Erwärmung von Wasser modifiziert werden kann, ohne daß die Leistungsfähigkeit des Kälte- oder Klimatisierungssystems beeinträchtigt wird. Wie anschließend näher erläutert werden soll, wird durch die Zuführung eines Wärmetauschers zur Erwärmung von Wasser gemäß der vorliegenden Erfindung die Gesamt-Leistungsfähigkeit des aufnehmenden Klimatisierungs- und Kältesystems sogar verbessert.

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

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines herkömmlichen Kälte- oder Klimatisierungssystems;

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Fig. 2 ist ein Temperatur-Entropie-Diagramm zum qualitativen Vergleich eines herkömmlichen Systems mit demjenigen der Erfindung;
5

Fig. 3 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems;

Fig. 4 ist eine Ansicht des erfindungsgemäßen Wärmeübertragungssystems nach Abnahme

des vorderen Deckels;

Fig. 5 ist ein Schnitt entlang der Linie 5-5

in Fig. 4;
15

Fig. 6 A ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines Wärmetauschers zur Verwendung für die vorliegende Erfindung, wobei die Pfeile die Bewegungsrichtung von Gasen und Flüssigkei

ten andeuten;

Fig. 6 B ist ein Schnitt entlang der Linie 6-6

in Fig. 6 A;
25

Fig. 7 ist ein schematisches Schaltbild einer Ausführungsform der Erfindung mit zwei Warmwassersystemen sowie örtlichen Heizungen zur Verwendung des warmen Wassers; 30

Fig. 8 ist eine Tabelle zur Veranschaulichung

der typischen Betriebsdaten einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 9 A ist ein Diagramm zur Veranschaulichung

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der Zeit, die zur Erwärmung einer gegebenen Wassermenge um 55,6 ⁰C erforderlich ist;

Fig. 9 B zeigt ein Diagramm, das die Temperaturerhöhung einer gegebenen Wassermenge in einer Stunde unter Verwendung der Erfindung veranschaulicht;

Fig. 10 ist ein Diagramm, das die Reduzierung der

Kompressorleistung als Funktion der Wassereinlaßtemperatur darstellt;

Fig. 11 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der Wärmerückgewinnung als Funktion der Was

sereinlaßtemperatur.

Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines herkömmlichen Kühl- oder Klimatisierungssystems. Ein Kältemittel wird bei niedrigem Druck gesättigt oder leicht überhitzt, im Punkt 1 in einen Kompressor eingesaugt und mit hohem Druck und hoher Temperatur als überhitzter Dampf im Punkt 2 abgegeben. Vom Punkt 2 aus strömt das gasförmige Kältemittel durch einen herkömmlichen Kondensator, in dem es auf eine gesättigte oder gelegentlich leicht unterkühlte Flüssigkeit kondensiert wird, die sodann überlicherweise durch einen Sammelbehälter hindurchgeht, obwohl derartige Behälter nicht in allen Systemen vorgesehen sind. Am Punkt 3 auf der stromabwärtigen Seite des Sammelbehälters strömt das flüssige Kältemittel durch ein Drosselventil hindurch und sodann vom Punkt 4 durch einen Verdampfer, in dem Wärme von dem zu kühlenden Ort oder Körper absorbiert wird.

Fig. 2 veranschaulicht nur qualitativ in einem herkömm-

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liehen Temperatur-Entropie-Diagranun (t-s-Diagramm) die Arbeitsweise des herkömmlichen Systems. Am Punkt 1 bildet das Kältemittel ein unter niedrigem Druck stehendes, leicht überhitztes Gas. Am Punkt 2 ist das Kältemittel ein unter hohem Druck stehendes, überhitztes Gas hoher Temperatur. Beim Durchgang durch den Kondensator werden die Uberhitzungs- und Kondensationswärme entzogen, wobei das Kältemittel zunächst durch den Zustand gesättigten Dampfes hindurchgeht und schließlich am Punkt 3 eine gesättigte Flüssigkeit bildet. Von hier aus führt das Entspannungs- oder Drosselventil eine nicht-reversible Expansion zum Punkt 4 durch, nach der das Kältemittel bei im wesentlichen konstanter Temperatur und konstantem Druck in dem Verdampfer verdampft wird und als gesättigtes Gas bei niedriger Temperatur zum Einlaß des Kompressors strömt.

Fig. 3 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Kälteoder Klimatisierungssystems ähnlich demjenigen der Fig.

In diesem Falle weist das System jedoch entsprechend der Erfindung einen zusätzlichen Wärmetauscher auf, der sich zwischen dem Kompressorauslaß und dem Einlaß des herkömmlichen Kondensators befindet. Die verschiedenen Punkte des Systems sind mit denselben Bezugsziffern wie in Fig. 1 bezeichnet, jedoch durch Kästen umrahmt. Die Arbeitsweise dieses Systems als eine Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 2 gestrichelt angedeutet. Beginnend am Punkt 2 wird das Kältemittel teilweise in dem zusätzlichen Wärmetauscher der vorliegenden Erfindung bis zum Punkt 3 kondensiert. Sodann übernimmt und beendet der herkömmliche Kondensator den Kondensationsvorgang des Kältemittels bis zu einer gesättigten Flüssigkeit, und in vielen Fällen wird das Kältemittel bis zum Punkt 3 unterkühlt. Das Drosselventil ermöglicht sodann eine Entspannung des flüssigen Kältemittels bis zum Punkt 4 bei einem Druck und einer Tempe-

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ratur, die wesentlich unter den Werten liegen, die sich bei dem herkömmlichen System ergeben. Wenn daher das Kältemittel durch den Verdampfer hindurchgegangen ist, erreicht es den Einlaß des Kompressors am Punkt 1 als gesättigter Dampf, und nicht als überhitzter Dampf, wie es bei dem System der Fig. 1 der Fall ist. Da der Dampf bei dem erfindungsgemäßen System gesättigt oder nur leicht überhitzt ist, ist sein Volumen pro Masseneinheit beträcht lich geringer, und seine Temperatur ist niedriger. Die nie drigere Temperatur und das verringerte spezifische Volumen haben zur Folge, daß der Kompressor weniger Hübe für eine gegebene Masse des Gases benötigt. Die niedrigere Temperatur führt im übrigen dazu, daß der Kompressor bei niedrigerer Temperatur läuft, sofern ein herkömmlicher, hermetisch geschlossener Kompressor verwendet wird, bei dem das Kältemittel den Kompressor kühlt. Das Ergebnis dieser Wirkungen ist, daß der Kompressor effizienter arbeitet, wie unten in Zusammenhang mit Fig. 10 näher erläutert werden soll.

Fig. 4 und 5 zeigen Vorder- und Seitenansicht eines Warmwasser-Wärmetauschersystems gemäß, der Erfindung. Ein Blechgehäuse 10 umschließt einen koaxialen Gegenstrom-Wärmetauscher 12, der sich in einer Kammer 14 befindet, die durch eine mittlere Wand 16 abgegrenzt ist. Die Kammer 14 ist auf allen inneren Oberflächen durch Abdeckungen 18 aus isolierendem Material isoliert, wie etwa eine Faserglasmatte mit einer Dichte von 1,36 kg (3 pound) und einer Stärke von etwa 12 mm, wie sie von der Fa. Johns-Manville Company geliefert wird. Der Wärmetauscher 12 ist vorzugsweise eine schraubenförmige Rohrwicklung mit konzentrischem Außen- und Innenrohr. Eine Schelle 20 legt den Wärmetauscher innerhalb der Kammer 14 fest. Einlaß- und Auslaß-Anschlußstücke 22 und 24 sind an den Enden des Wärmetauschers befestigt und durchdringen die untere, mittlere Wand 16 in

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Richtung einer Pumpen-Kammer 26. Heißes Kältemittel-Gas strömt in das Gehäuse 10 durch einen Anschlußadapter 28 ein, der, wie später erläutert werden soll, mit dem Rohr verbunden ist, das von der Ausgangsseite eines Klimatisierungs- oder Kälte-Kompressors zugeführt wird. Von dem Anschlußadapter 28 strömt das Kältemittel-Gas durch ein Rohr 30, das Anschlußstück 22 und den Außenraum des Wärmetauschers 12. Am anderen Ende des Wärmetauschers 12 tritt das kältere Kältemittel aus dem Anschlußstück 24 über ein Rohr 32 und einen Anschlußadapter 34 aus, der mit dem Rohr 32 verbunden ist, und gelangt zu den Rohren des herkömmlichen Kondensators eines Klimatisierungs- oder Kältesystems.

Wasser zum Kühlen des gasförmigen Kältemittels strömt in das Gehäuse 10 durch ein Rohr 36 ein, das mit einem Warmwasserspeicher oder einer anderen Warmwasseranlage verbunden ist, wie im einzelnen erläutert werden soll. Eine Kunststoffbuchse 38 hält das Rohr 36 beim Durchgang durch die Wand des Gehäuses 10 fest. Ein thermostatischer Schalter 40 ist mit dem Rohr 36 verbunden. Der Schalter 40 ist so eingestellt, daß er den Stromkreis einer Temperatur von etwa 82°C oder einer anderen geeigneten Wassertemperatur unterbricht, die sich aus dem jeweiligen Anwendungszweck ergibt. Die Temperatur wird so gewählt, daß übermäßig hohe Temperaturen in dem Warmwasser-Verbrauchssystem, wie etwa in einem Warmwasserspeicher vermieden werden und ein Sicherheitsbereich gewahrt bleibt. Wenn das Wärmeaustauschmedium Wasser ist, ist ein Punkt von 82°C vorzuziehen. Das Rohr 36 ist über ein Verbindungsstück 42 mit der Saugseite einer Pumpe 44 verbunden, die eine Magnetkupplung aufweist, so daß das warme Wärmeaustauschmedium nicht durch die Pumpe verschmutzt wird. Die Pumpe 44 wird durch einen Elektromotor 46 angetrieben, wie aus Fig. 5 hervorgeht, der nur arbeitet, wenn der Kompressor in Betrieb und der Schalter

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geschlossen ist. Der Ausstoß der Pumpe 44, der üblicherweise im Bereich von 4,5 bis 11,4 l/min. (1,2 bis 3,0 g.p.m.) je nach dem vorgegebenen Druckabfall des Systems liegt, ist über ein Verbindungsstück 48 und.ein kurzes Rohr 50 mit dem Anschlußstück 24 verbunden. · Wasser strömt auf diese Weise durch das Anschlußstück 24; das innere Rohr des Wärmetauschers 12, das Anschlußstück 22 und ein Rohr 52, das aus dem Gehäuse 10 durch eine Buchse 54 austritt und mit einem Warmwasser-Verbrauchssystem oder einem anderen Verbraucher verbunden ist.

In der Praxis ist das Gehäuse 10 durch einen Metalldeckel verschlossen, der in Fig. 4 und 5 nicht gezeigt ist. Derjenige Teil des Deckels, der die Kammer 14 verschließt, ist in der zuvor erwähnten Weise isoliert, so daß Wärmeverluste aus der Kammer 14 auf ein Minimum gebracht werden. Aufgrund der isolierenden Abdeckungen 18 wird die Temperatur in der Pumpen-Kammer 26 unterhalb derjenigen in der Kammer 14 gehalten. Dies ist deshalb notwendig, damit der temperaturempfindliche Schalter 40 nicht aufgrund hoher Umgebungstemperaturen in der Pumpen-Kammer 26 geöffnet wird, da dies zu einer vorzeitigen Unterbrechung des Wasserstroms und einem Verlust von Wärme, die in dem Kältemittel-Gas enthalten ist, führen würde. Weiterhin ist der Pumpen-Elektromotor 46 gegenüber einem Betrieb in einer unerwünscht warmen Umgebung gesichert. Zur weiteren Gewährleistung der Aufrechterhaltung einer geeigneten Temperatur in der Pumpen-Kammer 26 sind Belüfttingsbuchsen 55, 56 und 58 vorgesehen, die eine Luftkonvektion durch die Kammer gestatten und zur Aufrechterhaltung der Temperatur auf einem gewünschten Wert beitragen.

Fig. 6 A ist eine schematische Teildarstellung des Einlasses für das warme Kältemittel-Gas und des Auslasses für das warme Wasser in dem Wärmetauscher 12 gemäß der Erfindung.

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Das Anschlußstück 22 ist dicht mit einem äußeren, zylindrischen Rohr 60 aus Stahl verbunden, durch das das Kältemittel-Gas strömt. Weiterhin ist das Anschlußstück 22 mit einem inneren, weichen Rohr 22 aus Kupfer verbunden, durch das das Wasser oder ein anderes Wärmeaustauschmedium strömt, und zwar vorzugsweise in Gegenstromrichtung. Die Wand des Rohres 62 ist schraubenförmig eingeformt, wie aus Fig. 6 B hervorgeht/ so daß eine Art von entgegengesetzter Drehbewegung des heißen Kältemittels und des kühleren Wassers erfolgt und die Wärmeaustauschfläche verbessert und ein gewünschter* turbulenter Strom in dem Rohr 62 gebildet wird. Selbstverständlich können auch Wärmetauscher mit anderem inneren Aufbau im Rahmen der Erfindung verwendet werden.

Die relative Größe der Bestandteile des Wärmetauschers wird entsprechend den Angaben der vorliegenden Erfindung festgelegt. Da das gesamte Wärmeaustauschsystem, das innerhalb des Gehäuses 10 eingeschlossen ist, insbesondere geeignet ist für eine Hinzufügung zu bestehenden Klimatisierungs- oder Kältesystemen, die bereits einen Kondensator für das Kältemittel-Gas und einen Sammelbehälter für die Wärmeabgabe und die Speicherung des flüssigen Kältemittels des Systems aufweisen, ist es für;eine optimale Wirksamkeit der Arbeitsweise besonders wichtig, daß durch die Hinzufügung des Wärmetauschers zur Entnahme von andernfalls verschwendeter Wärme die Klimatisierungs- oder Kälteleistung des System nicht verschlechtert wird. Der herkömmliche Kondensator bei bekannten Klimatisierungs- oder Kältesystemen ist auf Ströme mit relativ hoher Geschwindigkeit ausgelegt. Daher wird die Bildung von Kondensatansammlungen, die den Strom eines gasförmigen Kältemittels blockieren könnten, auf ein Minimum gebracht, da Kondensattropfen rasch zu dem Sammelbehälter unmittelbar stromabwärts des Kondensators mitgenommen werden, sofern ein Sammelbehälter verwendet wird. Der Kompressordurchsatz wird bei derartigen

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Systemen in vernünftiger Weise dem erwarteten Strömungswiderstand des Kondensators, des Drosselventils und des Verdampfers angepaßt, so daß die Hinzufügung eines wesentlichen Strömungswiderstandes in dem System sehr unerwünscht ist. Beispielsweise würde die Anwesenheit von Ansammlungen kondensierten Kühlmittels in den Rohren, die zu dem Kondensator führen, eine zusätzliche Belastung des Kompressors ergeben, da die Bewegung der schwereren Flüssigkeit durch das System schwerer ist. Die Kondensatansammlungen würden außerdem die Integrität und Zuverlässigkeit des Systems gefährden. Wenn sich derartige Ansammlungen in niedrigen Positionen stromabwärts des Kondensators häufen, kann es zu einer vollständigen Strömungsblockierung über einen Zeitraum kommen, während der Kompressor einen Druck stromaufwärts der Anhäufung aufbaut. Stromabwärts einer derartigen Ansammlung würden der Kondensator und der Verdampfer leergepumpt werden und wesentlich an Kühlkapazität verlieren. Weiterhin kann sich die Situation ergeben, bei der die Kondensatansammlungen schnell durch das System "geschössen" werden und zu ernsthaften Schäden führen.

Da die Temperatur des gasförmigen Kältemittels bei einem herkömmlichen System ihren höchsten Wert zwischen dem Kompressor und dem Kondensator erreicht, ist es wünschenswert, in dieser Position überschüssige Wärme zu entziehen. Bei einem Kältemittel mit einem Massenströmungsdurchsatz von M₁ ergibt sich die Wärmemenge Q₁, die entzogen werden kann, aus der folgenden Beziehung:

Q₁ - M₁ fh^L _g - h* + (1-X)h^e _fg7,

In dieser Gleichung ist h* die Enthalpie des gasförmigen Kältemittels, das in den geschlossenen Strömungsraum zwischen dem Rohr 60 und dem Rohr 62 eintritt, h die Enthalpie des gasförmigen Kältemittels, das diesen Raum verläßt,

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X die Qualität oder das Verhältnis von Dampfmas.se zu Flüssigkeitsmasse + Dampfmasse bei dem diesen Raum verlassenden Kältemittel und hf. die Differenz der Enthalpie zwischen der gesättigten Flüssigkeit und dem gesättigten Dampf beim Verlassen des genannten Volumens. Im Rahmen der Erfindung hat es sich gezeigt, daß ein Wert X im Bereich von 0,25 bis 10 am Ausgang des Kältemittelstromes in dem Wärmetauscher das in dem System verbleibende Gas eine ausreichende Geschwindigkeit aufweist, um das flüssige Kältemittel und öltropfen durch das System hindurch zu bewegen, ohne daß in nennenswertem Maße die zuvor erwähnten Kondensatansairanlungen gebildet werden. Während der Anlauf-Obergangsphase, in der die Wassereinlaßtemperatur sehr gering ist, kann X auf 0,04 ohne schädliehe Nebeneffekte absinken. Ein ständiger Betrieb in diesem Bereich ist jedoch nicht wünschenswert. Ein weiterer Gesichtspunkt bei der Beurteilung dieses Aspektes der Erfindung liegt in der Betrachtung der Strömungsfläche, die für das Gas verbleibt, wenn Flüssigkeitstropfen oder kleine Kondensatansammlungen in dem Kältemittelrohr gebildet werden. Im Rahmen der Erfindung hat sich ergeben, daß bei einer Gasströmungsfläche von etwa 1/4 bis 3/4 der Gesamtfläche ein angemessener Strom erzielt werden kann und die Bildung von Kondensatansammlungen verhindert oder auf ein Minimum gebracht werden kann.

Die Wärmemenge, die aus dem Kältemittel entzogen werden kann, ohne daß die Qualität des Kältemittels unter den angegebenen Wert 0,25 am Wärmetauscherausgang abfällt, wird bestimmt durch die Wärmeabsorptionskapazität des Wassers oder des anderen Viärmeaustauschmediums, das im Rohr 62 strömt. Die Wärme Q₂, die durch das Wasser oder das andere Wärmeaustauschmedium entzogen werden kann, ergibt sich aus der folgenden Gleichung:

Q₂ - M₂(h® - h\).

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In diesem Falle ist h_ die Enthalpie des Wassers am Ausgang und h^ die Enthalpie des Wassers am Eingang des Wärmetauschers. Die Wärmemenge Q₂, die an das Wasser übertragen wird, erreicht offenkundig ihren höchsten Wert, wenn die Wassereinlaßtemperatur auf dem niedrigsten Wert ist. Wenn daher die Qualität des Kältemittels nicht unter den angegebenen Wert 0,25 gehen soll, ausgenommen etwa in einer kurzen Periode nach dem Anlauf, muß die Wärmemenge Q₂ begrenzt werden auf einen Wert, der sicherstellt, daß X bei 0,25 oder darüber bleibt, und zwar auch bei niedrigsten Wassereinlaßtemperaturen.

Die durch die Wände des Rohres 52 von dem Kältemittel auf das Wasser übertragene Wärmemenge ergibt sich aus folgender Gleichung:

Q₃ = UA7\"T.

In diesem Falle ist U der Gesamt-Wärmedurchgangskoeffizient des Rohres 62, ^T die Durchscnnittsteitperaturdifferenz an den Wänden des Rohres zwischen dem Kältemittel und dem Wasser und A die Wandfläche des Rohres 62. Durch Auswahl der Wärmetauscherabnessungen entsprechend der obigen Beziehung der vorliegenden Erfindung kann die Erfindung ohne weiteres in Verbindung mit bestehenden Kälte- und Klimatisierungssystemen verwendet werden, ohne eine übermäßige Kondensation herbeizuführen, wie im vorstehenden erörtert wurde. Die Erfindung berücksichtigt daher, daß der Gesamt-Wärmedurchgangskoeffizient U der Rohrwand zwischen dem Kältemittel und dem Wasser, der sich aus der Art des verwendeten Materials, seinen Oberflächeneigenschäften und der Geschwindigkeit der Fluidströme auf den entgegengesetzten Oberflächen ergibt, die Wärmedurchgangsfläche A der Rohrwand, die durchschnittliche Temperaturdifferenz ^T und der Massenströmungsdurchsatz M₂ des Wassers in dem Wärmetauscher gemeinsam sicherstellen , daß bei gegebenen Systemparametern des Kältesystems die Qualität des

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Kältemittels, das den Wärmetauscher verläßt, nicht unter den angegebenen Wert von 0,25 gelangt. Selbstverständlich kann die Erfindung auch in Verbindung mit neuen Systemen verwendet werden.
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Die Erfindung kann in der Praxis auch ausgeführt werden mit einer Gesamtquerschnitts-Strömungsfläche in dem Rohr 60, die BeStrömungsfläche des Rohres 30 gleicht, das vom Kompressor eintritt. Es hat sich jedoch gezeigt, daß sich bestimmte Vorteile ergeben, wenn sich die Strömungsfläche des Rohres 6 0 gegenüber derjenigen des Rohres 30 vergrößert. Diese Zunahme der Strömungsfläche bewirkt einen Abfall der Kältemittelgeschwindigkeit beim Durchgang durch den Wärmetauscher 12. Diese Volumenvergrößerung des Rohres 60 und der damit zusammenhängende Geschwindigkeitsabfall führen zu bemerkenswerten Wirkungen. Beispielsweise wird die Verweilzeit jeder Volumeneinheit des Kältemittels in dem Wärmetauscher 12 erhöht, so daß der Wärmeübergang an das Rohr 62 verbessert wird. Im übrigen wird die Gesamtmasse in dem Rohr 60 und die insgesamt zur Verfügung stehende Wärmemenge für einen übergang an das Rohr 62 vergrößert, ohne daß die gesamte Kondensation zunimmt. Auf der anderen Seite nimmt der Wärmedurchgangskoeffizient durch das Rohr 62 ab, wenn die Geschwindigkeit abnimmt, so daß sich der Wärmedurchgang durch das Rohr 62 verringert. Erfindungsgemäß wird die Geschwindigkeit des Kältemittels in dem Rohr 60 durch Auswahl eines geeigneten Rohrquerschnittes so eingestellt, daß sie ausreichend hoch ist, um den Wärmedurchgang an das Wasser oder ein anderes Wärmeaustauschmedium in dem Rohr 62 zu verbessern, ohne daß die Temperatur des Kältemittels auf einen VJert absinkt, in der zuviel Flüssigkeit vorhanden ist. In der Praxis kann die Strömungsfläche des Rohres 60 vier- bis fünfmal größer als die Strömungsfläche des Rohres 30 oder sogar noch größer sein, und zwar je nach dem Kompressordurchsatz. Wenn der

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Wärmetauscher 12 in Zusammenhang mit allen Kompressoren im Kapazitätsbereich von beispielsweise 4.500 bis 9.000 kg (5 - 10 tons) verwendet werden soll, sollte die Strömungsfläche in dem Rohr 60 so bemessen sein, daß sie optimal ausgelegt ist für etwa 6.750 kg (7,5 tons), da sie bei einer Auslegung für den oberen Grenzwert unter einem Kompressor entsprechend dem unteren Grenzwert u.U. zu einer vollständigen Kondensation des Kältemittels in dem Rohr 60 aufgrund zu langsamer Geschwindigkeit und zu geringer Kältemittelgasmenge in dem Rohr 60 führen würde.

Zusätzliche Vorteile ergeben sich durch Strahlreinigen oder Kugelstrahlen der äußeren Oberfläche des Rohres 62 gemäß der Bezugsziffer 64 in Fig. 6 A und 6 B. Diese Oberflächenbehandlung vergrößert die Wärmeübergangsfläche des Kupferrohres um etwa 20% und verbessert wesentlich die Wärmedurchgangskapazität des Wärmetauschers 12. Herkömmliche Kugelstrahlverfahren können zu diesem Zweck verwendet werden, bevor die Rohre 60 und 62 zusammengefügt werden.

Beispielsweise werden Stahlkugeln mit einem Durchmesser von

2 1 bis 1,7 mm unter einem Druck von etwa 12,3 kg/cm unter Verwendung eines herkömmlichen Kugelblasgerätes mit gutem Erfolg verwendet. Der Wärmeübergang wird weiterhin verbessert durch Riffelnuten 66 in der inneren Oberfläche des Rohres 62 in den Bereichen kleinen Durchmessers gegenüber den Einschnürungen zwischen den spiralförmigen Kämmen auf der äußeren Oberfläche des Rohres 62.

Experimente mit Ausführungsformen der Erfindung haben ergeben, daß Wärme wirksam von Systemen entzogen werden kann, die Kompressoren mit einer Kapazität von 907 bis 90.700 kg aufweisen und mit herkömmlichen Kältemitteln wie R-22 arbeiten. Der Strömungsdurchsatz M₁ liegt in derartigen Fällen im allgemeinen im Bereich von 1,27 bis 127 kg/min, bei einer äußeren Durchgangsfläche in dem Rohr 60 im Bereich von

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2,2 bis 25 cm . Wasserdurchsätze von 3,8 1/min. können

2 mit Wasserrohr-Querschnittsflächen von 0,93 bis 5 cm

erreicht werden, wobei angenommen wird, daß die Wärmeübergangsfläche 0,05 bis 2,5 m² beträgt. 5

Fig. 7 ist eine schematische Darstellung einer Anwendungsform des zusätzlichen Wärmetauschers der Erfindung. Ein vorhandener Klimatisierungs- oder Kälte-Kompressor 68 gibt ein Kältemittel unter hohem Druck und unter hoher Temperatur über einen Wärme- und Druckregler 70 ab. Anschließend wird der Strom des gasförmigen Kältemittels in dem Rohr 30 in zwei parallele Ströme unterteilt und zwei parallelen Wärmetauschern der vorliegenden Erfindung zugeführt, die sich in Gehäusen 10 befinden. Nachdem die Wärme von dem gasförmigen Kältemittel entzogen worden ist, verläßt das Gas die Gehäuse 10 durch die Rohre 32. Die Ströme werden wieder zusammengeführt und einem vorhandenen Klimatisierungs- oder Kälte-Kondensator 72 zugeführt, von dem sie zu dem nicht gezeigten Verdampfer gelangen.

Auf der Seite des Wassers oder des anderen Wärmeaustauschmediums in dem System ist ein Speicherbehälter 74 vorgesehen, von dem aus das Wasser an einem Auslaßventil 76 vorbei durch ein Sperrventil 78 zu einer Hilfspumpe 80 strömt, die das Wasser oder ein anderes Wärmeaustauschmedium durch parallele Sperrventile 8 2 und 84 hindurch in die Einlaß-Rohre 36 pumpt. Nach dem Durchgang durch den Wärmetauscher in dem Gehäuse 10 tritt das Wasser durch die Rohre 52 aus und passiert Entlüftungsventile 86 und 88, Sperrventile 90 und 92, ein Entlüftungsventil 94 und ein Sperrventil 96 vor dem Eintritt in den Speicherbehälter 74. Die Erfindung kann selbstverständlich im Zusammenhang mit Systemen verwendet werden, die keinen Speicherbehälter aufweisen. Ein Hilfssystem mit einer Pumpe 98, einem Sperrventil 100, einem Ver-

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braucher 102 und einem Sperrventil 104 dient zum Umwälzen erwärmten Wassers zwischen dem Speicherbehälter 74 und dem Verbraucher. Der Verbraucher 102 kann ein Heizkörper zum Erwärmen eines Raumes, eine Heizschlange in einer Luftzufuhrleitung, ein Fußbodenwärmetauscher, eine Wasser-Wärmepumpe, eine Strahlungsheizfläche, oder ein Heizkörper und dgl. sein.

Zahlreiche Ausführungsformen der Erfindung sind ausführlich untersucht worden, und ihre jeweiligen Betriebscharakteristika sind ermittelt worden. Fig. 8 zeigt in Tabellenform verschiedene Untersuchungsdaten von Versuchen mit einem Kältesystem mit einem Zusatzwärmetauscher entsprechend der Erfindung. Der Zusatzwärmetauscher, der für die Versuche verwendet wurde, war dimensioniert für eine Verwendung in Kälte- und Klimatisierungssystemen mit einer Kapazität von 4.535 bis 9.070 kg. Der Versuch wurde durchgeführt bei einer äquivalenten Außen- oder Umgebungstemperatur von 35°C bei ungesättigter Luft. Zusätzliche Versuche bei Umgebungstemperaturen von 29,4 und 37,8°C sind mit ähnlichen Ergebnissen durchgeführt worden. Die Temperatur von 35,0⁰C bei ungesättigter Luft entspricht der Nominaltemperatur zur Bewertung von Kälte- und Klimatisierungs-Einrichtungen in den Vereinigten Staaten unter den gegenwärtigen ARI-Normen. Unter anderem zeigen die Daten der Fig. 8, daß der erfindungsgemäße Wärmetauscher in der Lage ist, Wasser zu erwärmen, das eine Einlaßtemperatur im Bereich von 18⁰C und eine Auslaßtemperatur im Bereich von 48°C aufweist. Dies geschieht in sehr kurzer Zeit und in einem einzigen Durchgang. Der Wärmetauscher entzog maximal 71,2 % der Wärme, die andernfalls während des ersten Durchganges an die Atmosphäre abgegeben worden wäre. Während dieser Versuche wurde das Wasser kontinuierlich durch einen Speicherbehälter umgewälzt, so daß seine Temperatur während des Versuches anstieg und

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der Prozentsatz der entzogenen Wärme gemäß Fig. 8 abfiel, wenn die Einlaß-Wassertemperatur ihren Grenzwert von 82,2°C erreicht.

Fig. 9 A zeigt die erforderliche Zeit einer praktischen Ausführungsform der Erfindung zur Erwärmung einer vorgegebenen Wassermenge um 55,6°C . Bei Verwendung eines Kompressors von 6.800 kg wurden 151,4 1 Wasser um 55,6⁰C in etwa einer Stunde ohne Zusatzheizung erwärmt. Wenn ein herkömmlicher Warmwassererwärmer verwendet wird, ist es häufig nicht notwendig, die Heizwicklung oder das Gas eingeschaltet zu lassen, wenn die Erfindung eingesetzt wird. Die Erwärmungszeit ist allerdings noch kürzer, wenn sowohl die herkömmliche Heizquelle als auch die Erfindung verwendet wird. Fig. 9 B ist eine ähnliche Darstellung und zeigt die Temperaturänderungen einer gegebenen Wassermenge in einer Stunde für verschiedene Kompressorgrößen.

Der Prozentsatz der Leistungsreduktion des Kompressors ist in Fig. 10 als Funktion der Einlaßwassertemperatur gezeigt. Wenn das System mit einer Wassereinlaßtemperatur im niedrigeren Bereich arbeitet, wird das Kältemittel, das durch den Warmwasser-Wärmetauscher der Erfindung hindurchgeht, stärker gekühlt als bei höheren Einlaßtemperaturbereichen. Folglich ist die Einlaßtemperatur am Kompressor niedriger, so daß die Leistungsanforderungen und der Verschleiß des Kompressors verringert werden, wie oben angegeben wurde. Jedoch auch bei höheren Einlaßwassertemperaturen werden die Leistungsanforderungen an den Kompressor reduziert.

Fig. 11 ist eine grafische Darstellung der Abhängigkeit des Prozentsatzes der entzogenen Wärme von der Einlaßwassertemperatur des Wärmetauschers. Obwohl die Daten der Fig. 11 bei Klimatisierungs- und Kältesystemen geringer Leistung

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ermittelt wurden, ergibt sich ohne weiteres die Tendenz in Richtung einer Verringerung des Anteils der entzogenen Wärme bei ansteigender Einlaß-Wassertemperatur. Selbst verständlich ist bei einer gegebenen Größe des Wärmetauachers die Effizienz des Systems geringer, wenn die Leistung des Klimatisierungs- oder Kältesystems erhöht wird.

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Claims

PATENTANWÄLTE

TER MEER - MÜLLER - STEINMEISTER

♦vnooo V-416 f/nnchen ??. D-^HOO Gie'efefd T, ,ft St/ge slruUo 4 Siekorwall 7

Sun-Econ, Inc.

Northway 1O, Ushers Road

Ballston Lake, New York 12019

Verfahren und Vorrichtung zur Rückgewinnung von Wärme aus Kälte- oder Klimatisierungssystemen

Patentansprüche

(1.) Verfahren zur Rückgewinnung von Wärme aus dem Kältemittel von Kälte- oder Klimatisierungssystemen mit einem Kompressor, einem Kondensator und einem Verdampfer, bei dem man das Kältemittel zwisehen dem Kompressor und dem Kondensator zur Obertragung der Wärme des Kältemittels auf ein Wärmeübertragungsmedium mit diesem in einem Wärmetauscher in Wärmeaustausch bringt, wobei das Kältemittel beim Verlassen des Kompressors eine entziehbare Wärmemenge Q₁ = M. /h¹ - h^e + (1-X) hf 7 auf-

I ι ^fc g g fg"^

weist, wobei M₁ der Massendurchsatz des Kältemittels in dem System, h die Enthalpie des gasförmigen Kältemittels beim Verlassen des Kompressors, h^e die Enthalpie des gasförmigen Kältemittels beim Verlassen des Wärmetauschers, X die Qualität des Kältemittels beim Verlassen des Wärmetauschers und hf die

fg

Enthalpiedifferenz zwischen dem gesättigten flüssigen Kältemittel und dem gesättigten dampfförmigen

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Kältemittel beim Verlassen des Wärmetauschers ist, bei dem man weiterhin das Kältemittel und das Wärmeübertragungsmedium in getrennten Strömungsbahnen in entgegengesetzter Richtung durch den Wärmetauscher hindurchführt und die Trennwand zwischen der ersten und zweiten Strömungsbahn eine Fläche A und einen Wärmedurchgangskoeffizienten U aufweist und das Wärmeübertragungsmedium durch die zweite Strömungsbahn mit einem Massendurchsatz M_ und einer vorbestimmten Geschwindigkeit umgewälzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß man die Oberfläche A und den Wärmedurchgangskoeffizienten U für die Trennwand in dem Wärmetauscher derart wählt und den Massendurchsatz M_ und die Geschwindigkeit des Wärmeübertragungsmediums durch die zweite Strömungsbahn derart steuert, daß die auf das Wärmeübertragungsmedium übertragene Wärme bei einer Einlaßtemperatur des Wärmeübertragungsmediums auf dem zu erwartenden geringsten Wert proportional derart zu der zu entziehenden Wärmemenge Q₁ in Beziehung gesetzt ist, daß die

Qualität X des aus der ersten Strömungsbahn des Wärmetauschers austretenden Kältemittels bei etwa 0,25 oder darüber liegt.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An-Spruch 1, mit einem Kälte- oder Klimatisierungssystem mit einem Kompressor, einem Kondensator und einem Verdampfer sowie einem Wärmetauscher zur Übertragung von Wärme von dem Kältemittel zu einem Wärmeübertragungsmedium zwischen dem Kompressor und dem Kondensator, wobei der Wärmetauscher rohrförmige erste und zweite Strömungsbahnen für das Kältemittel bzw. das Wärmeübertragungsmedium mit entgegengesetzter Strömungsrichtung aufweist, gekennzeichnet durch eine Trennwand zwischen der ersten und zweiten Strömungsbahn mit einer Oberfläche A, eine Einrichtung (44,80) zum Umwälzen des Wärmeübertra-

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gungsmediums durch die zweite Strömungsbahn mit einem Massendurchsatz M„ und einer vorgegebenen Geschwindigkeit, und einen Wärmedurchgangskoeffizienten U für die Trennwand, wobei der Wärmetauscher in Bezug auf die Oberfläche A, den Durchgangskoeffizienten U, den Massendurchsatz M₂ und die vorgegebene Geschwindigkeit des Wärmeübertragungsmediums in der zweiten Strömungsbahn derart ausgelegt ist und betrieben wird, daß die auf das Wärmeübertragungsmedium übergehende Wärme bei einer Einlaßtemperatur des Wärmeübertragungsmediums auf dem zu erwartenden niedrigsten Wert proportional derart in Beziehung zu der zur Rückgewinnung zur Verfügung stehenden Wärmemenge Q₁ gesetzt ist, daß die Qualität X des aus der ersten Strömungsbahn des Wärmetauschers austretenden Kältemittels bei etwa 0,25 oder darüber liegt.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Strömungsbahn gebildet ist durch ein äußeres Rohr (60) und die zweite Strömungsbahn durch ein zu dem äußeren Rohr koaxiales inneres Rohr (62).
4. Wärmetauscher nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch einen temperaturempfindlichen Schalter (40) zum Ausschalten der Umwälz-Einrichtung (44,80) beim Erreichen einer vorgegebenen maximalen Einlaßtemperatur des Wärmeübertragungsmediums.
5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 2 bis 4, g ekennzeichnet durch ein Gehäuse (10), das die erste und zweite Strömungsbahn, die Umwälzeinrichtung (44) und den Schalter (40) im wesentlichen einschließt und eine innere Trennwand (16) aufweist, die das Gehäuse in eine erste Kammer (14) und eine zweite Kammer (26) unterteilt, daß die erste Kammer die Strömungsbahnen und die zweite Kammer die Umwälzeinrichtung und den Schalter aufnimmt,

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und daß die erste Kammer eine Isolierung (18) gegenüber der zweiten Kammer (26) und der Umgebung aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, da-

durch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche der ersten Strömungsbahn größer als die Querschnittsfläche eines das Kältemittel mit einem Massendurchsatz M₁ von dem Kompressor zuführenden Rohres (30) ist und derart gewählt ist, daß die auf das Wärmeübertragungsmedium übergehende Wärmemenge vergrößert wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche der ersten Strömungsbahn bis zum 5-fachen größer als die Querschnittsfläche des Rohres (30) ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand zwischen den Strömungsbahnen kugelgestrahlt ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand des inneren Rohres (32) wenigstens einen äußeren schraubenförmigen Vorsprung über die Länge des Rohres und eine entsprechende Anzahl von schraubenförmigen Einsenkungen außerhalb der Mitte des Rohres aufweist, und daß die Einsenkungen mit Riffelnuten im Inneren durchzogen sind.

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