DE3430550A1 - Verfahren und vorrichtung zur erhoehung des gesamtwirkungsgrades einer waermepumpenanlage - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur erhoehung des gesamtwirkungsgrades einer waermepumpenanlageInfo
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Description
Fischer AG ':::.: :*..· . *..·: . 8146 PPS/He
3Α30550
Verfahren und Vorrichtung zur Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades einer Wärmepumpenanlage
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades einer Wärmepumpe, welche
aus mindestens einem Kompressor, wenigstens einem Verdampfer, einem überhitzer, einem Dreiwegventil, einem Latentspeicher
und einem Kältemittel besteht.
Aus der DE-PS 955 718 ist eine Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe bekannt, wobei die Entspannung gleichzeitig auf
verschiedenen Druckstufen erfolgt. Auf diese Weise wird mehrstufig auf den verschiedenen Druckstufen verdichtet. Bei
diesem bekannten Verfahren wird aus einer gegebenen Wassermenge eine möglichst grosse Wärmemenge entnommen, um sie auf
ein höheres Temperaturniveau zu heben.
Alle bekannten Wärmepumpen entziehen einer Wärmequelle, wie Flusswasser, Grundwasser, Erde, Luft oder einem Latent-Eisspeicher,
die darin enthaltene Wärme, wobei die darin enthaltene Wärme genutzt wird.
An Orten, wo Wasser als Wärmequelle nicht zur Verfugung
steht, wurden bereits Rohre direkt in die Erde verlegt, in deren Innern ein Gemisch aus Glykol und Wasser als Wärmeträger
zirkuliert. Auch Latent-Eisspeicher, bei denen der gesamte Wasserinhalt vereist und die die für den Verdampferbetrieb
erforderliche Energie dem angrenzenden Erdreich entnehmen, werden so betrieben.
Fiscner
WV « # *tf H * .«»·«
Wird eine totale Vereisung des Inhalts eines Latent-Eisspeichers nicht angestrebt, liegt die Speiehertemperatur während
der Dauer der Vereisungsphase bei Null Grad C. Das nutzbare Temperaturniveau liegt jedoch tiefer, je nach Stärke des
Eismantels, der sich um die Rohre des Verdampfers gebildet hat. Um den Wärmeaustausch dennoch zu gewährleisten, sind
grosse Rohrlängen erforderlich.
Solch ein Verfahren hat noch mehrere Nachteile. Glykol hat wärmetechnisch sehr schlechte Eigenschaften. Bei niedrigen
Temperaturen steigt die Viskosität des Glykol/Wasser-Gemisches
so stark an, dass bereits bei Temperaturen von minus 10* C der Kompressor durch sehr tiefe Sauggastemperaturen
überlastet wird. Auch hat das Glykolgemisch eine so schlechte Reynoldzahl, so dass der zum Pumpen erforderliche Energieaufwand
den Betrieb der ganzen Anlage unwirtschaftlich macht. Daher darf im Glykol-Wassergemisch der Anteil an Glykol
nicht wesentlich über 30 Gew.-% liegen. Schon bei Temperaturen von 0 bis minus 4" C wird der Wärmeübergang von Eis
via Rohr auf Glykol sehr schlecht. Ausserdem ist bei Verwendung von Glykol in einem Zwischenkreislauf im Verdampfer eine
Temperaturdifferenz, zwischen Verdampfungstemperatur des Kältmittels und mittlerer Temperatur des Glykol-Wassergemisches
im Verdampfer, von einem Delta T zwischen 6° und 14" K erforderlich. Der weitere Nachteil ist darin zu sehen,
dass bei flächig verlegten Erdkollektoren relativ grosse Landreserven erforderlich sind, um genügend Wärme aus der
Erde zu gewinnen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, das eine Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades einer Wärmepumpenanlage
bewirkt durch Vermeidung extrem tiefer Verdampfungstemperaturen. Unter extrem tiefen Temperaturen sind Verdampfungstemperaturen
unter minus 10" bis minus 12* C zu verstehen.
Eine weitere Aufgabe ist es, eine Vorrichtung zur Durchfüh-
Fischer AG -*"..". .**..**. -"%: 8146 PPS/He
rung des Verfahrens zur Verfügung zu stellen, die einfach ist und wirtschaftlich herzustellen ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäss nach Anspruch 1 gelöst und
ist dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel direkt mittels eines Verdampfers im Latentspeicher verdampft und im
Überhitzer der Sattdampf des Kältemittels überhitzt wird.
Durch eine direkte Verdampfung des Kältemittels, vorzugsweise aus der Gruppe der halogenierten Kohlenwasserstoffe, in
den Rohren eines Verdampfers, der in einem mit Eis/Wasser betriebenen Latentspeicher installiert ist, sind wesentlich
höhere Verdampfungstemperaturen möglich als bei Anlagen, die die Wärme mittels einer Wärmeträgerflüssigkeit, wie Glykol,
dem Latentspeicher entziehen. Die höheren Verdampfungstemperaturen
ergeben eine wesentlich höhere Leistungsziffer als bekannte Anlagen. Als besonders vorteilhaft für das Verfahren
haben sich Metallrohre insbesondere aus Kupfer oder dessen Legierungen erwiesen, die gegen Korrosion in kaltem Wasser
beständig sind und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Aber auch andere Metalle, wie Aluminium sowie Stahl und
Legierungen, die notfalls mit einem Schutzanstrich gegen Korrosion versehen sind, können verwendet werden. Durch Optimierung
der Rohrquerschnitte und Rohrabstände kann eine grösstmögliche Ausnutzung des Speichervolumens zur Entnahme ·
der Latentwärme erreicht werden.
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, die Vereisung im Latentspeicher durch Zufuhr von Wärme zu begrenzen.
Bei starker Vereisung des Latentspeichers, die ein Absinken der Verdampfungstemperaturen unter minus 10° C zur Folge haben
könnten, kann eine zusätzliche Pumpe als Hilfsaggregat zur Regenerierung des Latentspeichers eingesetzt werden, die
jedoch für das erfindungsgemässe Verfahren nicht wesentlich
ist. Diese Pumpe kann mit jeder Art von Abfallwärme betrieben werden und ein Teil des Eises im Latentspeicher wieder
zum Schmelzen bringen. Als Abwärme kommen beispielsweise Ge-
Fischer AG „:.„"..* ·.·"*..' "-." ! 8146 PPS/He
— 6 —
bäudeabluft oder industrielle Abwärme auf tiefem Temperaturniveau in Frage.
Die Rohroberflächentemperatur im Latentspeicher wird auf minus 8" bis minus 10° C limitiert. Es soll in besonders vorteilhafter
Weise möglichst viel Wasser von 0° C in Eis umgewandelt werden, da bei dem Übergang von Wasser zu Eis
Schmelzwärme in der Grosse von 93 Wattstunden pro kg Wasser frei werden. Es ist daher erwünscht, dass die Kupferrohre
mit einem äusseren Rohrdurchmesser von 10 bis 15 mm einen Eisenmantel bis maximal 200 mm aufweisen. Mit dem Wachsen
vom Eis auf der Oberfläche der Rohre nimmt gleichzeitig die Oberfläche für den Wärmetausch Wasser/Eis zu. Es sei bemerkt,
dass bei Verwendung von Platten für den Wärmetausch des Verdampfers lediglich ein eindimensionales Wachstum der
Eisschicht erfolgt, während bei Rohren das Wachstum in zwei Dimensionen erfolgt.
Bei Verwendung von Rippenrohren vermag man zwar die Oberfläche zu vergrössern, die Kosten der Rohre steigen damit jedoch
unverhältnismässig an.
Das Verfahren wird ohne zusätzliche Pumpen betrieben. Als treibende Kraft zur Umwälzung des Wärmeübertragungsmediums
dient allein der Kompressor. Auf der Saugseite des Kompressors wird beispielsweise bei einem Druck von 2 bar und auf
der Druckseite bei 12 bar gearbeitet. Es hat sich als vorteilhaft
erwiesen, eine Druckdifferenz von 5 bis 20 bar, vorzugsweise von 10 bar aufrecht zu erhalten.
Das Wärmeübertragungsmedium, in Form eines halogenierten Kohlenwasserstoffes, wird so vom Kompressor durch den Latentspeicher
gepumpt.
Ein zweiter Verdampfer kann bei weniger Wärmebedarf unter relativ hohen Aussentemperaturen mit Aussenluft als Wärmequelle
gespeist werden.
Fischer AG ":::.: :*„.* . *·.*;... 8146 PPS/He
In jedem Fall erfolgt eine Überhitzung des Sattdampfes in einem Überhitzer, wobei das Kältemittelkondensat aus einem
Kondensator nach dem Kompressor unterkühlt wird.
Zur weiteren Erhöhung des Wirkungsgrades und damit der Leistungsziffer
ist ein Überhitzer vor dem Eintritt in den Kompressor vorgesehen, damit wird der von einem der Verdampfer
stammende Sattdampf mit einer zweiten Wärmequelle auf höherem Temperaturniveau überhitzt. Als Heizmittel dient dabei
das Kondensat des Kältemittels nach dem Kompressor, welches z.B. mit einer Temperatur von ca. 40° C zur Verfügung
steht. Zum Schutz des Kompressors gegen Erosion durch Resttropfen wird in bekannter Weise gelegentlich ein kleiner
Wärmeaustauscher vorgeschaltet, der solche Tropfen verdampfen soll.
Die Erfindung soll anhand von Zeichnungen erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 das Schema einer Wärmepumpenanlage nach der Erfindung,
Fig. 2 einen Latentspeicher im Längsschnitt,
Fig. 3 Rohreinsätze in den Latentspeicher gemäss Figur 2,
Fig. 3a Rohranordnung von Fig. 3,
Fig. 4 Variation der Rohreinsätze und
Fig. 4a Rohranordnung von Fig. 4.
Figur 1 stellt das Prinzip-Schema einer Wärmepumpenanlage
dar. Bei Aussenlufttemperaturen über zirka 2" C läuft die Wärmepumpe zunächst mit Aussenluft als Wärmequelle. Von einem
Kompressor 1 gelangt ein verdichtetes Kältemittel zum
Fxscner
„ W * W · · » W- w
Kondensator 2, wo es bei beispielsweise 50° C verflüssigt
wird. Es durchläuft einen Überhitzer 3, wo das Kältemittel beispielsweise von 50° C auf 10" C abgekühlt wird. Ein Dreiwegventil
4 ist so gestellt, dass es auf ein Expansionsventil 5 führt. Das gekühlte Kältemittel strömt über einen Verteilerkopf
6 in den Verdampfer 7, welcher der Aussenluft Wärme entzieht. Der Kältemittelsattdampf wird im Überhitzer
3 durch sich abkühlendes ca. 40-grädiges Kältemittelkondensat überhitzt, so dass er mit etwa + 5* C in den Kompressor
eintreten kann. Diese erste Wärmequelle kann bis zu einem bestimmten Umschaltpunkt genützt werden.
Unterhalb dieses vorgegebenen Umschaltpunktes wird eine zweite Wärmequelle, der Eis/Waser-Latentspeicher, genutzt.
Durch Umschalten des Dreiwegventils wird das vom Überhitzer 3 kommende Kältemittel in zunächst analoger Weise über ein
Expansionsventil 5' und einen Verteilerkopf 61 direkt durch
den Verdampfer 9, der sich innerhalb des Latentspeichers 8 befindet, geleitet. Das Kältemittel wird daher in den Rohren
des Verdampfers 9 verdampft, die direkt in Kontakt mit dem Wasser und/oder dem Eis des Latentspeichers 8 sind. Das verdampfte
Kältemittel wird in gleicher Weise wie beim Kreislauf mit Aussenluft im Überhitzer 3 überhitzt.
Der Latentspeicher 8 besteht in vorteilhafter Weise aus einem Betonbehälter, kann aber auch aus einem Kunststoffbehälter
oder einem Metallbehälter gefertigt sein. Gemäss Figur 2 sind in seinem Innern an senkrechten Trägern 11 Rohrschlangen
12 befestigt, die den Verdampfer 9 bilden. Diese Rohre sind mit einem Eingang 13 und einem Ausgang 14 für das Kältemittel
versehen.
Nach Anordnung der Rohre 12 gemäss den Figuren 3 und 3a, können 78,5 % des Latentspeicher-Inhaltes 8 vereist werden,
bevor die einzelnen Eismäntel 15 zusammenwachsen. Die Entfernung von Mittelpunkt zu Mittelpunkt der Rohre beträgt
Fischer AG *:.:.:: ": . ■ 8146 PPS/He
beispielsweise 200 mm in einem Speichervolumen von beispielsweise 10 m^.
Bei einer Anordnung gemäss den Figuren 4 und 4a ist eine
Ausnutzung des Speicherinhaltes von theoretisch 90,5 % erreichbar.
Ausgehend von den meteorologischen Daten des Einsatzortes kann die Speichergrösse bestimmt werden. Innerhalb des als
Latentspeicher vorgesehenen Behälters ist ein Verdampfer vorgesehen, der in seiner einfachsten Ausführung aus Kupferrohren
besteht, die in beliebiger Anordnung in Abständen von (200 mm) angebracht sind. Es wird eine glatte Oberfläche
vorgezogen, die einen gleichmässigen Belag an Eis begünstigt. Dabei kann die Oberfläche auch glatte Profile tragen.
Ein äusserer Rohrdurchmesser von 10 bis 15 mm hat sich als geeignet erwiesen, um die gewünschte Verdampfung des
Kältemittels in den Rohren zu gewährleisten.
Die Erfindung soll anhand von Vergleichsbeispielen näher beschrieben
werden. In nachfolgender Tabelle werden folgende Abkürzungen verwendet.
TE - Erdtemperatur
TVE = Glykoleintrittstemperatur in den Verdampfer
TVA = Glykolaustrittstemperatur aus dem Verdampfer
TM = mittlere Glykoltemperatur im Verdampfer
Tq = Verdampfungstemperatur
= Rohroberflächentemperatur
= mittlere Temperaturdifferenz zwischen
Verdampfungstemperatur Tq und Glykoltemperatur
Fischer AG
8146 PPö/He
Bei spiel |
TE | T VE |
T VA |
T M |
Atm | To | Zustand der Wärme quelle |
I II |
00C -8°C |
- 2eC -10'C |
- 6°C -14°C |
- 4eC -12eC |
11,50K 11,5°K |
-15,5°C -23r5°C |
Verei sung sbe- beginn im Erd reich maximal . vereist |
III IV |
TR | - 2eC - 8°C |
- 6eC -12°C |
- 4°C -100C |
11r5°K 11f5°K |
-15,5'C -21f5°C |
Verei sung sbe- ginn im Latent*- speicher maximal vereist |
V VI |
O"C -6°C |
0,5°K 0,5°K |
- 0r5°C -10,5°C |
Verei sungs- beginn im La tent speicher maximal vereist |
|||
O0C -100C |
Beispiele I bis IV dienen zum Vergleich und werden mit GIykol/Wasser
als Kältemittel betrieben.
Die Beispiele I und II zeigen den Betrieb eines flächig verlegten Erdkollektors mit Glykolkreislauf. Der Betrieb der
Anlage wird wegen des Glykolgemisches, welches maximal 35 % Glykol enthalten darf und somit nur bis minus 18° gefriersicher
ist, kritisch.
Die Beispiele III und IV zeigen den Betrieb eines Eis-Latentspeichers
mit Glykolkreislauf, der durch verschiedene Abwärmen laufend regeneriert wird. Die maximale Vereisung
tritt daher nur selten auf und ist auf einen Eismantel um
Fischer AG * ;: :.: :"..*.*-.*:- 8146 PPS/He
die Rohre von zirka 200 mm beschränkt. Bei Eis-Latentspeichern die ihre Energie aus der Entwärmung des umliegenden
Erdreiches gewinnen müssen, liegen die entsprechenden Temperaturen noch wesentlich tiefer.
Die Beispiele V und VI geben die erfindurigsgemässen Ergebnisse
wieder. Es ist zu ersehen, dass trotz der tieferen Temperaturen der Rohroberfläche, bei VI gemäss der Erfindung,
verglichen mit Beispiel IV eine um 11" K höhere Verdampfungstemperatur
erreicht wird.
Die erforderliche Heizleistung einer Wärmepumpe verringert sich bei Erhöhung der Verdampfungstemperatur von 10° bis
12° K um etwa 35 %. Daraus folgt, dass für eine vorgegebene Heizleistung eine kleinere Wärmepumpe eingesetzt werden
kann. Durch die höhere Verdampfunf«temperatur Tn wird eine
um 20 bis 25 % höhere Leistungszahl erreicht als bei bekannten Wärmepumpen, die mit Glykol als Zwischenkreislauf betrieben
werden.
Die Vorteile der Direktverdampfung von Kältemittel im Latentspeicher
sind also darin zu sehen, dass wesentlich höhere Verdampfungstemperaturen erreicht werden können. Die höheren
Verdampfungstemperaturen ergeben Leistungsziffern, die
mit den bekannten Verfahren nicht erreicht werden. Die überhitzung
des Kältemittels in einem zweiten Verdampfer durch Unterkühlung des rücklaufenden Kondensates bringt eine weitere
Verbesserung in der Leistung der. Anlage.
Die Verwendung von Wasser im Latentspeicher anstelle eines zwischengeschalteten Wärmeübertragungskreislaufes hat neben
der Einsparung des Wärmeübertragungsmittels und den erforderlichen Anlageteilen sowie deren Installation den Vorteil,
dass Wasser beliebig oft gefroren und wieder aufgetaut werden kann, ohne seine chemischen und physikalischen Eigenschaften
zu verändern.
Fischer au ....»...,
Durch den Wegfall des Glykol-Zwischenkreislaufs wird, die Anlage
wesentlich vereinfacht. Die Konstruktion stellt daher die bisher kostengünstigste Lösung dar. Es wird sowohl die
statische Wärme oberhalb des Nullgradbereichs genutzt, als auch die latente Wärme aus dem Wechsel des Aggregatzustandes
Wasser/Eis.
Als Hauptanwendungsgebiete steht die umweltfreundliche Beheizung
von Gebäuden, Wohnungen und Einfamilienhäusern im Vordergrund. Die Erfindung kann aber auch überall dort eingesetzt
werden, wo Wärme zur Raumbeheizung erforderlich ist.
Hervorragend geeignet ist der Erfindungsgegenstand in Verbindung
mit motorisch betriebenen Totalenergieanlagen sowie zur Nutzung periodisch oder laufend anfallender Abwärme auf
tiefem Temperaturniveau wie industrielle Abwärme oder Gebäudeabluft.
Fischer AG *.*;;*: :l~\ ' ~.*\1A« 8146 PPS/He
- α-
Bezeichnungsliste
Kompressor | |
2 | Kondensator |
3 | Überhitzer |
4 | Dreiwegventil |
5 | Expansionsventil zum Verdampfer 7 |
5' = | Expansionsventil zum Verdampfer im La |
tentspeicher | |
6 | Verteilerkopf zum Verdampfer 7 |
61 | Verteilerkpf zum Verdampfer im Latent |
speicher | |
7 | Verdampfer für Aussenluft |
8 | Latentspeicher |
9 | Verdampfer im Latentspeicher 8 |
10 | Pumpe zur Regenerierung von 8 |
11 | Träger |
12 | Rohr |
13 | Eingang |
14 | Ausgang |
15 | Eismantel |
Claims (15)
- Fischer AG ":::.; :*.,* . -,.": . 8146 PPS/He-Jr-PatentansprücheVerfahren zur Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades einer
Wärmepumpenanlage, welche aus mindestens einem Kompressor, wenigstens einem Verdampfer, einem überhitzer, einem Dreiwegventil, einem Latentspeicher und einem Kältemittel besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel direkt mittels eines Verdampfers (9) im Latentspeicher (8) verdampft und im Überhitzer (3) der Sattdampf des Kältemittels überhitzt wird. - 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vereisung im Latentspeicher (8) durch Zufuhr von
Wärme begrenzt ist. - 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Latentspeicher (8) mit Abwärme regeneriert wird.
- 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichent, dass als Abwärme Gebäudeabluft verwendet wird.
- 5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vereisungsbegrenzung auf eine resultierende Rohroberflächentemperatur während des Betriebes von minus 8' bis minus 12° C eingestellt wird.
- 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckdifferenz zwischen Saug- und Druckseite des
Kompressors (1) in einem Bereich von 5 bis 20 bar begrenzt wird. - 7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn-ft ·Fischer AG '" 8146 PPS/Hezeichnet, dass durch den Kompressor (1) das Wärmeübertragung smed ium umgewälzt wird.
- 8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Latentspeicher (8) ein Wärmeträger gepumpt wird.
- 9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Verdampfer (7) mit Aussenluft gespeist wird.
- 10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittelkondensat aus dem Kondensator (2) im Überhitzer (3) unterkühlt wird.
- 11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit Wasser versehener Behälter als Latentspeicher (8) dient. (Fig. 1)
- 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Latentspeicher (8) ein Verdampfer (9) installiert ist. (Fig. 2)
- 13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (9) aus Rohren besteht. (Fig. 2)
- 14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre des Verdampfers (9) eine glatte Oberfläche aufweisen.
- 15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre des Verdampfers (9) profiliert sind.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CH5094/83A CH660776A5 (de) | 1983-09-20 | 1983-09-20 | Verfahren und vorrichtung zur erhoehung des gesamtwirkungsgrades einer waermepumpenanlage. |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3430550A1 true DE3430550A1 (de) | 1985-04-11 |
Family
ID=4287827
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19843430550 Withdrawn DE3430550A1 (de) | 1983-09-20 | 1984-08-20 | Verfahren und vorrichtung zur erhoehung des gesamtwirkungsgrades einer waermepumpenanlage |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
CH (1) | CH660776A5 (de) |
DE (1) | DE3430550A1 (de) |
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1984
- 1984-08-20 DE DE19843430550 patent/DE3430550A1/de not_active Withdrawn
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CH660776A5 (de) | 1987-06-15 |
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Legal Events
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8141 | Disposal/no request for examination |