DE2834075A1

DE2834075A1 - Kompressions-waermepumpe

Info

Publication number: DE2834075A1
Application number: DE19782834075
Authority: DE
Inventors: Gottlieb Dr Ing Wilmers; Klaus Dipl Ing Wissler
Original assignee: Audi NSU Auto Union AG; Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 1978-08-03
Filing date: 1978-08-03
Publication date: 1980-02-28
Also published as: FR2432692A1; SE7906455L; FR2432692B1; JPS5523896A; GB2027182B; US4250721A; GB2027182A

Description

Die Erfindung betrifft eine Kompressions-Wärmepumpe nach dem Ober- , begriff des Anspruchs 1. .

Wärmepumpen dieser Art werden neuerdings für Heizungen verwendet, wobei ein Teil der Heizleistung durch Wärmeaufnahme des Kältemittels im Verdampfer aus der Umgebung, d.h. aus der Luft, dem Wasser oder dem Erdboden, gedeckt wird. Ein Hauptproblem derartiger Wärmepumpen liegt darin, daß bei niedrigen Außentemperaturen die Verdichterarbeit pro Wellenumdrehung stark zurückgeht, da sowohl der Liefergrad des Verdichters als auch die Dichte des angesaugten Mediums mit sinkender Temperatur ebenfalls absinken. Die erforderliche Verdichterleistung kann dann nur durch entsprechende Erhöhung der Antriebsdrehzahl des Verdichters erreicht werden. Je nach der Größe des Verdichterschadraumes müßte die Antriebsdrehzahl bei einer Außentemperatur von beispielsweise -10 C drei- bis sechsmal so hoch sein wie bei +5 C, obwohl die erforderliche Heizleistung nur um den Faktor 2 gegenüber dem Vergleichspunkt gestiegen ist.

Um die Baugröße des Verdichters möglichst klein zu halten, wird dieser normalerweise so ausgelegt, daß der für die durchschnittliche Außentemperatur von etwa +5 C bei beispielsweise 800 U/min die erforderliche Leistung erbringt. Dies bedeutet aber für Verdichter mit üblichen Schadräumen, daß bei einer Außentemperatur von -10 C eine Antriebsdrehzahl von bis zu ^000 U/min und bei einer Außentemperatur von -15 C sogar eine Antriebsdrehzahl von bis zu 9000 U/min erforderlich ist, um die benötigte Verdichterleistung zu erreichen. Diese große Drehzahlßpanne läßt sich bei einem Antrieb des Verdichters mittels eines Elektromotors auf wirtschaftliche Weise nicht verwirklichen. Beim Antrieb des Verdichters durch eine Brennkraftmaschine ist zwar eine derartige Drehzahlspanne grundsätzlich erreichbar, jedoch unter Inkaufnahme hoher Kraftstoffverbräuche, eines hohen Verschleißes und einer starken Geräuschentwicklung bei hohen Drehzahlen.

Es ist bei Kompressor-Kältemaschinen bekannt, Vorsehaltverdichter in Form von Strahlapparaten vorübergehend einzusetzen, wenn kurzzeitig tiefe Temperaturen erreicht werden sollen. Bei einer be-

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kannten Kältemaschine dieser Art wird der Treibstrom unmittelbar hinter dem Verdichter, also vor dem Kondensator, abgezweigt. Eine derartige Ausführung ist für Wärmepumpen für Heizungszwecke unvorteilhaft, da hierdurch der Massenstrom durch den Kondensator und damit die Wärmeabgabe an das Heizmedium verringert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kompressions-Wärmepumpe der angegebenen Art zu schaffen, bei der mit sinkender Außentemperatur eine geringere Anhebung der Antriebsdrehzahl des Verdichters zur Erzielung der erforderlichen Verdichtungsleistung nötig ist als bei den bekannten Wärmepumpen, ohne jedoch den Wirkungsgrad zu verschlechtern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Vorschlag wird durch das Einschalten der Strahlpumpe der Saugdruck für den Verdichter und damit dessen Liefergrad sowie die Dichte des angesaugten Mediums erhöht, so daß die Antriebsdrehzahl des Verdichters mit sinkender Außentemperatur entsprechend weniger angehoben werden muß als bei den bekannten Wärmepumpen ohne Strahlpumpe, um die erforderliche Verdichterleistung zu erreichen.

Der Treibstrom wird nach dem Kondensator abgezweigt, so daß der Wärmeinhalt des Gesamtmassenstromes zur Wärmeabgabe an das Heizmedium im Kondensator zur Verfügung steht. Durch Wärmezufuhr an den Treibstrom bzw. an das vorverdichtete Kältemittel muß sichergestellt werden, daß das Kältemittel beim Eintritt in den Verdichter vollständig verdampft ist, um Flüssigkeitsschläge zu vermeiden. Die dafür erforderliche Wärmemenge wird dem Saugstrom zwischen Kondensatorausgang und Drosselventil entzogen (Unterkühlung) und anschließend wieder aus der Umgebung zugeführt, da das Kältemittel mit einem entsprechend höheren Kondensatanteil in den Verdampfer gelangt. Gegenüber einer konventionellen Kompressions-Wärmepumpe wird bei dem erfindungsgemäßen Vorschlag sogar eine Verbesserung des Wirkungsgrades erreicht, da die kinetische Energie des Treib-

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stromes nicht im Expansionsventil in Wärme umgesetzt, sondern in der Strahlpumpe nutzbar gemacht wird.

Mit der dem Saugstrom entzogenen Wärme kann entweder das vor- _: verdichtete Kältemittel, das die Strahlpumpe als Naßdampf verläßt, verdampft werden oder der flüssige Treibstrom. Letzteres kann entweder in der Strahlpumpe selber, vorzugsweise einer speziell ausgebildeten Treibdüse, oder vor Eintritt in die Strahlpumpe erfolgen, wobei für die zweite Möglichkeit eine Drossel zwischen Kondensator und Zusatzwärmetauscher angeordnet werden muß, die das Temperatur-, niveau des Treibstromes soweit absenkt, daß Wärme vom Saugstrom aufgenommen werden kann.

Im einfachsten Fall ist die Strahlpumpe ungeregelt und sie wird mittels eines Ventils in der Treibstromleitung eingeschaltet, wenn die Außentemperatur unter einen bestimmten Wert sinkt. Vorteilhafter ist es, eine Regelung der Treibstrommenge vorzunehmen. Dies kann beispeislweise durch eine Treibdüse mit veränderlichem Querschnitt und gegebenenfalls durch eine veränderliche Drossel in der Treibstromleitung erreicht werden. Da die Leistung der Wärmepumpe normalerweise durch Änderung der Antriebsdrehzahl des Verdichters in Abhängigkeit, von der Außentemperatur geregelt wird, kann die Treibstrommenge in Abhängigkeit von der Antriebsdrehzahl verändert werden. Alternativ kann die Regelung der Treibstrommenge ähnlich wie die der Drossel durch die Verdampfertemperatur erfolgen, die ihrerseits durch die Außentemperatur festgelegt ist. Dabei kann mit sinkender Außentemperatur der Treibstromanteil vergrößert werden, was für eine hohe Drehzahlabsenkung wünschenswert ist. Der maximal mögliche Treibstromanteil ändert sich mit der Umgebungstemperatur,, da sein Verhältnis zum Gesamtmassenstrom in einem Bereich zu halten ist, in welchem die zum vollständigen Verdampfen des Treibstromes bzw. des Gesamtmassenstromes vor Eintritt in den Verdichter erforderliche Energie vom Saugstrom zur Verfügung gestellt werden kann. So darf beispielsweise der Treibstromanteil bei einer Außentemperatur von -15 C kO% des Gesamtmassenstromes betragen, während er bei einer Außentemperatur von +15 C nicht höher als 5 - 10%. liegen kann.

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Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 ein Schaltbild einer Kompressions-Wärmepumpe gemäß einem ersten Vorschlag der Erfindung,

Fig. 2 den Prozeßverlauf der in Fig. 1 gezeigten Wärmepumpe im ρ-h-Diagramm,

Fig. 3 ein Schaltbild einer Kompressions-Wärmepumpe gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. k den Prozeßverlauf im p-h-Diagramm für die in Fig. 3 dargestellte Kompressions-Wärmepumpe,

Fig. 5 ein Schaltbild einer Kompressions-Wärmepumpe gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und

Fig. 6 den Prozeßverlauf im p-h-Diagramm für die Kompressions-Wärmepumpe gemäß Fig. 5-

In dem in Fig. 1 dargestellten Schaltbild ist mit V ein Verdichter bezeichnet, der das dampfförmige Kältemittel einem Kondensator 11 zuführt, in welchem Wärme aus dem Kältemittel an ein Heizmedium eines nicht dargestellten Heizkreislaufs abgegeben wird. Das Kältemittel verläßt den Kondensator 11 in verflüssigtem Zustand und gelangt durch eine Leitung 12 zum größeren Teil zu einem Expansionsventil 13, durch das die Temperatur des Kältemittels unter die Temperatur der Umgebung gesenkt wird, aus der Wärme -aufgenommen werden soll. Diese Wärmeaufnahme aus der Umgebung, beispielsweise aus der Luft, aus dem Grundwasser oder einem anderen Gewässer oder aus dem Erdboden, erfolgt in dem Verdampfer lk, in dem das Kältemittel durch die Wärmeaufnahme wieder in den dampfförmigen Zustand zurückversetzt wird. Bei den normalen Wärmepumpenprozessen gelangt das nun dampfförmige Kältemittel auf die Saugseite des Verdichters 10 zurück.

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Um den Liefergrad des Verdichters V und die Dichte des von diesem angesaugten Kältemittels bei tiefen Temperaturen zu erhöhen, ist zwischen dem Verdampfer lA und dem Verdichter V eine Strahlpumpe 15 angeordnet. Die Treibdüse l6 dieser Strahlpumpe 15 ist durcheine Leitung 17 mit der Leitung 12 stromab des Kondensators 11 verbunden. In der Treibstromleitung 17 kann ein Absperrventil ΐδ angeordnet sein, mit -welchem die Strahlpumpe 15 erst unterhalb einer bestimmten Außentemperatur eingeschaltet wird. Der Verdampfer lk ist durch eine Leitung I9 mit der Mischkammer 20 der Strahlpumpe 15 verbunden, und der Diffusor 21 der Strahlpumpe I5 ist über eine Leitung 22 mit der Saugseite des Verdichters V verbunden.

Der von der Leitung 12 abgezweigte Treibstrom besteht aus flüssigem Kältemittel, welches beim Eintritt in die Mischkammer 20 vollständig verdampft sein soll; dazu ist die Treibdüse l6 der Strahlpumpe 15 als Heizdüse ausgebildet, die einen Wärmetauscher 23 enthält. Da der Treibstrom aufgrund der Entspannung in der Düse l6 auf einem niedrigeren Druck- und Temperatür-Niveau ist als der durch die Leitung 12 strömende Saugstrom, kann letzterer in dem Wärmetauscher 23 Wärme an den Treibstrom abgeben, so daß der Treibstrom aus vollständig verdampftem Kältemittel besteht. Da der von dem Ver^: dämpfer tk durch die Leitung 19 zugeführte Kältemittelstrom ebenfalls dampfförrnig·ist, ist gewährleistet, daß der Verdichter V ausschließlieh dampfförmiges Kältemittel ansaugt.

Der Prozeßverlauf der Wärmepumpe von Fig. 1 ist aus Fig. 2 ersichtlich. Die Punkte entsprechen den Zuständen an den gekennzeichneten Stellen in dem Schaltbild von Fig. 1. Es ist ersichtlich, daß der Verdichter V die Verdichtung des Kältemittels vom Punkt 1 auf den Punkt 2 übernimmt, während die Strahlpumpe die Verdichtung vom Verdampferdruck Punkt 6 auf den Verdichtereingangsdruck Punkt 1 durchführt. In der Mischkammer 2.0 der Strahlpumpe. 15 stellt sich der Zustand 8 ein und anschließend wird im Diffusor 21 auf den Zustand 1 verdichtet. 0 30 009/00 3 7

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 und k sind gleiche oder gleichartige Teile wie beim ersten Ausführungsbeispiel mit den gleichen Bezugszeichen, jedoch mit dem Index a bezeichnet. Unterschiedlich gegenüber den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 1 und 2 ist, daß die Treibdüse l6a der Strahlpumpe 15a keine Heizdüse ist. Statt dessen ist in der Treibstromleitung 17a ein eigener Wärmetauscher 23a angeordnet, der in die Saugstromleitung 12a eingeschaltet ist. Außerdem ist in der Treibstromleitung 17a stromauf des Wärmetauschers 23a eine Drossel 2k angeordnet. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Schwierigkeiten, die bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 dadurch entstehen können, daß die Treibdüse sich widersprechende Forderungen zu erfüllen hat, nämlich einerseits eine möglichst reibungsarme Ausbildung, um die Verluste gering zu halten, jedoch andererseits eine möglichst große Oberfläche, um eine gute Wärmeübertragung zu erhalten, vermieden. Das p-h-Diagramm zeigt wiederum die Zustände an den Stellen 1 bis 10 im Schaltbild von Fig. 3. Der Verdichter V verdichtet von Punkt 1 nach Punkt 2. Im Kondensator 11a wird von dem gesamten Massenstrom Wärme abgegeben, so daß sich am Ende des Kondensators lla der Zustand 3 einstellt. Nun wird von dem Gesamtstrom der Treibstrom abgezweigt, wobei durch die Drossel 2k die Druckabsenkung auf Punkt 7 erfolgt. Im Wärmetauscher 23a wird das vorher flüssige Kältemittel verdampft, so daß nach Durchströmen des Wärmetauschers 23a der Zustand 8 eintritt. In der Strahlpumpe 15a verringern sich Drück und Enthalpie des Treibstromes auf den Zustand 9- Der durch die Leitung 12a strömende Saugstrom gibt im Wärmetauscher 23a von Punkt 3 bis Punkt k Wärme ab. Im Expansionsventil 13a wird der Druck des Saugstromes von Punkt 5 auf Punkt k verringert. Im Verdampfer l4a nimmt der Saugstrom aus der Umgebung Wärme auf und gelangt wieder in den dampfförmigen Zustand gemäß Punkt 6. In der Mischkammer 20a der Strahlpumpe 15^» stellt sich durch die Mischung von Treib- und Saugstrom der Zustand 10 ein, und im Diffusor 21a endlich wird der Druck des Gesamtmassenstromes wieder auf den Zustand 1 gebracht.

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Hoi. in" AusCiihiMii),u;,s!)c· i spi <; I gemnlJ KLg. 5 mLiliI i'i'ir ,U₁IeLcIu: mlei· -g 1. e L ehartige Teile wiederum die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1, jedoch mit dem Index b bezeichnet. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist anstelle der Wärmetauscher 23 bzw. 23a zum Verdampfen des Treibstromes ein Wärmetauscher 25 zum Trocknen des vorverdichteten KäLtemittels zwischen Strahlpumpe 15b und Verdichter V angeordnet. Die wärmeabgebende Seite des Wärmetauschers wird wiederum vom .Saugstrom zwischen Kondensator 11b und Expansionsventil 13b durchströmt. ^

Der Prozeßverlauf der Wärmepumpe gemäß Fig. 5 ist aus Fig. (> ersichtlich. Der Verdichter V verdichtet .das Kältemittel von Punkt 1 auf Punkt 2. Im Kondensator lib erfolgt die Wärmeabgabe des Gesamtmassenstromes an das Heizmedium des nicht gezeigten Heizkreises, wodurch das Kältemittel verflüssigt und der Zustand 4 erreicht wird. Der nun abgezweigte, durch die Leitung 17b strömende Treibstrom der Strahlpumpe 15b entspannt sich in der Treibdüse auf den Zustand 8. Der die Leitung 12b durchströmende Saugstrom gibt im Wärmetauscher 25 Wärme ab, wodurch sein Wärmeinhalt von Punkt k auf Punkt 5 sinkt. Durch das Expanisonsventil 13b wird, der Druck und damit die Temperatur des Saugstromes auf den Zustand 6 abgesenkt. Im Verdampfer \kh nimmt der Saugstrom aus der Umgebung Wärme auf, wodurch das Kältemittel in den dampfförmigen Zustand zurückgeführt und der Zustand erreicht wird. In der Mischkammer 20b der Strahlpumpe 15b findet die Vermischung des Saugstroms mit dem Treibstrom statt, wodurch der Zustand 9 erreicht wird. Im Diffusor 21b wird der Druck £iuf den Zustand 10 erhöht. Nun durchströmt der Gesamtmassenstrom den Wärmetciusciier 25, wodurch der Gesamtmassenstrom in den dampfförmigen Zustand übergeführt wird und mit dem Zustand 1 in den Verdichter V eintreten kann.

Aiu:h heim Ausrührimgsbei spiel gemäß Fig. 5 kann In der Treibst rom I <· Hung I7l> ein Al)SJ)CrI^-V(Mi t. i 1 cn I sprechend dom V(Mi-I il lH in I¹Hg. 1 angeordnet werden.

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Tn allen Ausführungsbeispielen ist der Verdichter V vorzugsweise durch eine in Fig. 1 angedeutete Brennkraftmaschine 30 angetrieben, deren Drehzahl in Abhängigkeit vom Heizbedarf geregelt wird.

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AUDI NSU AUTO UNION AKTIENGESELLSCHAFT, Neckarsulm/Württ.

Kompression«-Wärmepumpe

Patentansprüche

Wärmepumpe mit einem Kältemittel-Kreislauf, der in Hintereinanderschaltung einen insbesondere von einer Brennkraftmaschine angetriebenen Verdichter, einen Kondensator, in dem das Kältemittel Wärme abgibt, ein Expansionsventil und einen Verdampfer enthält, in welchem das Kältemittel Wärme aufnimmt, wobei zwischen dem Verdampfer und dem Verdichter eine Strahlpumpe angeordnet ist, deren Treibmittel vom Kältemittelkreislauf hinter dem Verdichter abgezweigt wird, d a d u r c/h g e kennzei chnet, daß die Treibstromleitung (17, 17^a> 17b) von einer Stelle zwischen dem Kondensator (11, 11a, lib) und dem Expansionsventil (13, 13a, 13t>) ausgeht, und daß zum vollständigen Verdampfen des Treibstromes oder des gesamten Massenstromes vor Eintritt in den Verdichter (V) ein Wärmetauscher (23, 23a, 25) vorgesehen ist, dessen wärmeaufnehmende Seite von dem Treibstrom bzw. von dem gesamten Massenstrom nach der Strahlpumpe (15, 15a, 15t») und dessen wärmeabgebende Seite vom Saugstrom vor Eintritt in das Expansionsventil (13* 13a, 13b) durchströmt ist.
2. Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Treibdüse (l6) der Strahlpumpe (15)als Wärmetauscher ausgebildet ist. .

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3. Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Treibstromleitung (17a) zwischen Kondensator (lla) und Strahlpumpe (l5a) der Wärmetauscher (23a) und stromauf desselben eine Drossel (24) angeordnet ist.
4. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3₅ dadurch gekennzeichnet, daß in der Treibstromleitung (17) ein Absperrventil (l8) angeordnet ist.
5. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Treibdüse (l6, l6a) zur Regelung der Treibstrommenge veränderbar ist.
6. Wärmepumpe nach Anspruch 5? dadurch gekennzeichnet, daß in der Treibmittelleitung (17a) ein Regelventil (24) angeordnet ist, dessen Querschnitt gleichsinnig mit dem Querschnitt der Treibdüse (l6a) veränderbar ist.
7- Wärmepumpe nach Anspruch 5> wobei das Expansionsventil in Abhängigkeit von der Außentemperatur regelbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Treibdüse (l6, l6a) gleichsinnig mit dem Expansionsventil veränderbar ist.
8. Wärmepumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Treibdüse (l6, l6a) derart veränderbar ist, daß mit sinkender Außentemperatur der Treibmittelanteil ansteigt.

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