DE4230818A1 - Verfahren und Einrichtung zur Leistungsregelung einer Kompressions-Wärmepumpe und/oder Kältemaschine - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung sind ein Verfahren und eine Einrich­ tung zur Leistungsregelung von Kompressions-Wärmepumpen und Kompressions-Kältemaschinen, die mit einem Arbeitsmedium in Form einer Lösung arbeiten. Diese Lösung ist ein Gemisch zweier in einander gut löslicher aber unterschiedliche Flüchtigkeit aufweisender Medien oder Komponenten. Die Konzentration der Lö­ sung wird durch die Menge des in der Lösung befindlichen, hö­ here Flüchtigkeit aufweisenden Mediums gekennzeichnet und ver­ ändert sich in Abhängigkeit von dem Mischungsverhältnis der Me­ dien. Erfindungsgemäß erfolgt die Leistungsregelung der mit Lö­ sungen arbeitenden Wärmepumpe oder Kältemaschine durch die Re­ gelung der Konzentration der Lösung an wenigstens einer be­ stimmten Stelle des Kreislaufs.

Die Regelung der Konzentration kann einerseits durch die Ver­ wendung eines vor dem Kompressor angeordneten Niederdruck-Flüs­ sigkeitsbehälters angeordneten Niederdruck-Flüssigkeitsbehäl­ ters und andererseits durch die Verwendung eines hinter dem Kompressor angeordneten Hochdruck-Flüssigkeitsbehälters erfol­ gen. Da sich im Behälter der Dampf hoher Konzentration und die Flüssigkeit niedriger Konzentration trennen, kann die Konzen­ tration der Lösung in Abhängigkeit davon eingestellt werden, wieviel Flüssigkeit niedriger Konzentration aus dem Behälter mit Hilfe eines Regelventils in den Kreislauf zurückgeführt wird. Steigt die Konzentration des Arbeitsmediums (der Lösung) der mit Lösungen arbeitenden Wärmepumpe oder Kältemaschine, so erhöht sich die Leistung der Maschine, fällt die Konzentration des Arbeitsmediums, so vermindert sich die Leistung der Ma­ schine.

Die Erfindung richtet sich auf die Leistungsregelung von mit Lösungen (z. B. Ammoniak-Wasser-Gemisch, oder in einander gut lösliche Freone usw.) arbeitenden Kompressions-Wärmepumpen und Kältemaschinen.

Bekanntlich gibt es in einander gut lösliche Medien-Paare, bei deren Verwendung in Kompressions-Wärmepumpen oder Kältemaschi­ nen der spezifische Energieverbrauch der Maschinen vermindert werden kann. Dies bedeutet soviel, daß der COP-Wert einer mit einem Lösungskreislaufarbeitenden Wärmepumpe um 30 bis 60% günstiger als der einer mit herkömmlichem homogenem Medium ar­ beitenden Wärmepumpe ausfallen kann.

Die Lösung oder das Medienpaar ist stets das Gemisch einer flüchtigeren und einer weniger flüchtigen Komponente. (So ist z. B. im Falle eines Ammoniak-Wasser-Gemisches das Ammoniak die flüchtigere, das Wasser die weniger flüchtige Komponente.) Wäh­ rend der Erwärmung einer eine gegebene Konzentration aufweisen­ den Lösung beginnt die flüchtigere Komponente überproportional zu verdampfen, und die Verdampfung findet bei kontinuierlichem Temperaturanstieg statt. In Abhängigkeit davon, ob mehr oder weniger flüchtigere Komponente in der Lösung enthalten ist, kann die Konzentration der Lösung unterschiedlich sein. Bei ei­ nem gegebenen Druck beginnen die Verdampfung und die Kondensa­ tion der verschiedene Konzentrationen aufweisenden Lösungen bei jeweils anderen Temperaturen und verlaufen entlang verschiede­ ner Temperaturablaufkurven, mit der Differenz, daß bei einer Verdampfung die Temperatur ansteigt, bei einer Kondensation hingegen zurückgeht. Bei der Verdampfung von Lösungen beginnt zuerst die flüchtigere Komponente zu verdampfen und ausgetrie­ ben zu werden, und so entsteht der eine höhere Konzentration aufweisende Dampf, wobei die Konzentration der zurückbleibenden Flüssigkeitsphase bei ansteigender Temperatur der Verdampfung kontinuierlich zurückgeht. Bei der Kondensation der Lösung wird zuerst der eine hohe Konzentration aufweisende Dampf konden­ siert und wird darauffolgend bei kontinuierlich rückgängiger Temperatur in der eine niedrigere Konzentration aufweisenden Flüssigkeitsphase gelöst.

Als Folge der bei veränderlicher Temperatur erfolgenden Ver­ dampfung bzw. Kondensation kann die mit einer Lösung arbeitende Wärmepumpe oder Kältemaschine besser an die Heiz- oder Kühlauf­ gabe angepaßt werden, bei der auch die Wärmequelle und/oder das Wärmeaufnahme-Medium unterschiedliche Temperaturen aufweisen kann. Bei der Mehrzahl der wärmetechnischen Aufgaben (z. B. Hei­ zung, Kühlung, Wärmeausnutzung usw.) erfolgt bei dem Ver­ dampfer - was bei der Wärmepumpe die Wärmequelle, bei der Kältemaschine die Kühlaufgabe ist - bzw. bei dem Kondensator - was bei der Wärmepumpe die Wärmeausnutzung, bei der Kühlung die zu entfer­ nende Abwärme ist - die Wärmezufuhr bzw. der Wärmeentzug bei veränderlicher Temperatur. Wenn einem äußeren Medium veränder­ licher Temperatur ein Kreislauf veränderlicher Temperatur ange­ schlossen wird, kann mechanische Arbeit eingespart werden.

Der Aufbau der mit Lösungen arbeitenden Wärmepumpen und Kälte­ maschinen kann dem Aufbau einer herkömmlichen Wärmepumpe oder Kältemaschine vollkommen gleich sein. Die Maschine besteht aus einem Kompressor, einem Kondensator oder Absorber, einem Expan­ sionsventil sowie einem Verdampfer oder Austreiber. Diese Zu­ sammenstellung kann noch durch einen inneren Wärmetauscher er­ gänzt werden, für dessen Schaltung verschiedene bekannte Mög­ lichkeiten zur Verfügung stehen. Die deutsche Patentschrift Nr. 84 084 beschreibt den Aufbau der Wärmepumpe bzw. Kältemaschine mit Lösungskreislauf, die auch einen inneren Wärmeaustauscher und einen Flüssigkeitsabscheider enthält, wobei letzterer zwi­ schen dem Kompressor und dem Verdampfer angeordnet ist. Der Einbau eines Flüssigkeitsabscheiders ist dort vorgesehen, weil die früher verwendeten Kompressoren eine vollkommene Flüssig­ keitsabscheidung erforderten. Der Kompressor fördert somit nur Dampf, die Flüssigkeit wird durch eine Pumpe befördert.

Die zur Zeit bekannten Möglichkeiten der Leistungsregelung bei mit einem Lösungskreislaufarbeitenden Wärmepumpen und Kältema­ schinen sind diejenigen, die auch bei den mit einem homogenen Medium arbeitenden Wärmepumpen und Kältemaschinen Anwendung finden. Diese Möglichkeiten der Leistungsregelung sind fol­ gende:

• - Drosselregelung,
• - Drehzahlregelung,
• - Bypaß-Regelung,
• - Schieber-Regelung.

Im Falle der Drosselregelung vermindert sich bei Erhöhung der Drosselung vor dem Kompressor die Dichte des in den Kompressor eingesaugten Mediums, demzufolge der Kompressor ein geringeres Volumen fördert, was mit dem Rückgang der Leistung der ganzen Einrichtung verbunden ist. Bei der Drehzahlregelung kann die Leistungsänderung durch Änderung der Drehzahl des Kompressors erreicht werden. Dies bedeutet die Änderung der Drehzahl des den Kompressor antreibenden Elektromotors, was aber kostenauf­ wendige Hilfseinrichtungen erfordert. Bei der Bypass-Regelung wird ein Teil des Arbeitsmediums aus der Druckleitung des Kom­ pressors in die Saugleitung desselben zurückgeführt. Die Schie­ ber-Regelung hat sich bei den Schraubenkompressoren durchge­ setzt, wo entlang der Schraubenwelle des Kompressors in axialer Richtung ein Schieber bewegt und dadurch die arbeitende Wellen­ länge eingestellt werden kann. Durch entsprechende Einstellung der Wellenlänge kann der austrittsseitige Druck des Kompressors verändert und dadurch eine Leistungsregelung erreicht werden.

Bei Untersuchung der vorgenannten Möglichkeiten der Leistungs­ regelung kann festgestellt werden, daß durch ihre Anwendung im Kreislauf entweder Verluste entstehen, Drosselverluste bei der Drosselregelung, Förderverluste bei der Bypass-Regelung, oder zu ihrer Verwirklichung sind kostenaufwendige Hilfseinrichtungen erforderlich, d. h. bei der Drehzahlregelung ein Polumschalter­ motor, bzw. bei der Schieberregelung ein Schieber.

Bei der erfindungsgemäßen Regelungslösung entstehen keine Ver­ luste und ihre Anwendung bedingt keine kostenaufwendige Hilfs­ einrichtung. Die Möglichkeit der verlustfreien Regelung ist eine Eigenheit der mit einem Lösungskreislaufarbeitenden Kompessions-Wärmepumpe und -Kältemaschine, was aus dem zweikom­ ponentigen Charakter der Lösung als Arbeitsmedium folgt.

Bei den mit Lösungen arbeitenden Wärmepumpen und Kältemaschinen können in Abhängigkeit von der Konzentration der Lösung zahl­ lose Betriebszustände verwirklicht werden. Ist die Konzentra­ tion der Lösung hoch, kann die Maschine im niedrigeren Tempera­ turbereich betrieben werden und umgekehrt, ist die Konzentra­ tion der Lösung niedrig, so kann die Maschine im höheren Tempe­ raturbereich betrieben werden. Steigt die Konzentration des Ar­ beitsmediums (der Lösung) der mit Lösungen arbeitenden Wärme­ pumpe oder Kältemaschine, so erhöht sich die Maschinenleistung und umgekehrt, wenn die Konzentration des Arbeitsmediums zu­ rückgeht, so vermindert sich auch die Maschinenleistung.

Die vorliegende Erfindung bietet eine Möglichkeit zur verlust­ freien Leistungsregelung von mit Lösungen arbeitenden Wärmepum­ pen und Kältemaschinen durch die Regelung der Konzentration des Arbeitsmediums (der Lösung) und beschreibt die zur Leistungsre­ gelung erforderlichen Hilfseinrichtungen und deren mögliche Schaltungen.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß bei einer als Ar­ beitsmedium mit einer Lösung arbeitenden Wärmepumpe oder Kälte­ maschine im Kreislaufprozeß zwei Punkte vorzufinden sind, bei denen der Konzentrationsunterschied zwischen der Dampf- und der Flüssigkeitsphase der Lösung der größte ist. Diese beiden Punkte sind bei dem Kompressor-Eintritt bzw. dem Kompressor- Austritt vorzufinden, und da hier die größte Konzentrationsdif­ ferenz zwischen den beiden Phasen vorliegt, kann die Konzentra­ tion der Lösung hier im breitesten Bereich geregelt werden. An einer dieser Stellen werden die eine hohe Konzentration aufwei­ sende Dampfphase und die eine niedrige Konzentration aufwei­ sende Flüssigkeitsphase getrennt und separiert geleitet; dann wird die Flüssigkeitsphase geregelt so in den Kreislauf zurück­ geführt bzw. der Dampfphase wieder zugeführt, daß die Konzen­ tration der Arbeitsmedium-Lösung auf den gewünschten Wert ein­ gestellt wird. Mit diesem Verfahren kann die Leistungsregelung von Wärmepumpen und Kältemaschinen verlustfrei vorgenommen wer­ den.

Mit der Regelung der Konzentration des Kreislaufes kann er­ reicht werden, daß der Kreislauf der durch die Aufgabe beding­ ten Leistung bzw. den Forderungen des Temperaturverlaufes ver­ lustlos angepaßt wird. Darüber hinausgehend kann durch die Re­ gelung der Konzentration auch erreicht werden, daß in den Bau­ teilen der Wärmepumpe oder der Kältemaschine (im Kompressor und in den Wärmeaustauschern) stets ein Arbeitsmedium der Konzen­ tration umgewälzt wird, dessen Zustand hinsichtlich der betref­ fenden Einrichtung der günstigste ist.

Für die Arbeitsweise des Kompressors ist wesentlich, daß die Temperatur des aus dem Kompressor austretenden Mediums einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet. Als Teil der Konzentra­ tionsregelung ist bei einer konkreten Einrichtung auch diese Aufgabe zu lösen. Dazu wird ein besonderer Regler eingebaut, der von der Austrittstemperatur des Kompressors gesteuert vor den Kompressor oder in den Kompressor soviel flüssige Phase strömen läßt, als hinsichtlich der Temperatur des aus dem Kom­ pressor austretenden Mediums am günstigsten ist. In diesem Falle weicht die sich im Kompressor entwickelnde durchschnittliche Konzentration des Arbeitsmediums von der in den übrigen Bautei­ len der Wärmepumpe vorherrschenden durchschnittlichen Konzen­ tration ab. Die vorliegende Lösung ist auch mit dem Vorteil verbunden, daß die Änderung der Konzentration des Arbeitsmedi­ ums im Kreislauf die Einstellung der zum optimalen Betrieb des Kompressors günstigsten Konzentration nicht beeinflußt.

Bei den Wärmeaustauschern liegen die durch die Konzentrations­ regelung erreichbaren Vorteile in der Möglichkeit der besten Auswahl der Umstände der Wärmeübertragung. Bekanntlich durch­ läuft bei einem Röhrenverdampfer oder -kondensator das in den Röhren strömende Medium verschiedene Strömungsformen. Im Ver­ laufe des Verdampfungsvorganges ist die Strömung zuerst blasen­ förmig, dann trudelig, laminar, wellenförmig, ringförmig und schließlich dispers. Beim Kondensator kommen die gleichen Strö­ mungsformen zustande, aber es beginnt mit der dispersen Strö­ mung und reicht bis zum Zustand der reinen Flüssigkeit. Zu den verschiedenen Strömungsformen gehören bei der Verdampfung und der Kondensation jeweils andere Wärmeübertragungsverhältnisse. Dadurch, daß in dem einen oder anderen Wärmetauscher die Kon­ zentration verändert wird, verändert sich auch das Strömungs­ bild der in dem Wärmeaustauscher befindlichen Lösung und so verändern sich auch die Verhältnisse bei der Wärmeübertragung.

Die Leistungsregelung der mit Lösungen arbeitenden bekannten Wärmepumpen oder Kältemaschinen erfolgt im Sinne der Erfindung in der Weise, daß an der Saug- oder Druckseite des Kompressors ein Behälter mit großem Flüssigkeitsfassungsvermögen angeordnet und in diesen das die gemischte Phase aufweisende Arbeitsmedium geleitet wird. In diesem Behälter scheidet sich das Arbeitsme­ dium in Flüssigkeit von niedriger Konzentration und Dampf von hoher Konzentration. Bei geregelter Zurückführung der Flüssig­ keit von niedriger Konzentration mittels einer Pumpe an ver­ schiedene Stellen des Kreislaufes verändert sich die Konzentra­ tion im betreffenden Abschnitt. Weiterhin kann in Abhängigkeit davon, wohin die Zurückführung der Flüssigkeit innerhalb des Systems erfolgt, in den verschiedenen Bauteilen des Systems - im Kondensator, im Verdampfer und im Kompressor - eine jeweils andere Konzentration erzeugt werden.

Ein wesentliches Element der Erfindung ist die Bestimmung der Anordnungsstelle und der Ausgestaltung des Behälters sowie die Art und Weise der Regelung der sich in den verschiedenen Bau­ teilen des Kreislaufes einstellenden Konzentration. Die Anord­ nungsstelle des Behälters ist zum Teil bekannt, da früher vor dem Kompressor bereits ein Behälter vorgesehen wurde, in dem der Dampf und die Flüssigkeit getrennt wurden, um eine mög­ lichst vollkommene Flüssigkeitsabscheidung vor dem Kompressor zu erreichen. Ziel des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Behäl­ ters ist aber nicht die vollkommene Flüssigkeitsabscheidung, und so ist auch seine Konstruktionsausführung einfacher als die des bisher an der gleichen Stelle eingesetzten Flüssigkeitsab­ scheiders. Die Bestimmung des bei der Erfindung verwendeten Be­ hälters ist, die für die Konzentrationsregelung benötigte, eine vergleichsweise niedrige Konzentration aufweisende, veränderli­ che Flüssigkeitsmenge aufzunehmen. Der wichtigste Gesichtspunkt bei der Ausgestaltung des Behälters ist, seine Abmessungen rich­ tig zu wählen. Die Größe des Behälters ist vom Gesamtfassungs­ vermögen des Systems, der Bemessungskonzentration, dem zu re­ gelnden Konzentrationsbereich sowie von den Betriebsdrücken und Betriebstemperaturen abhängig. Der große Flüssigkeitsfassungs­ raum des Behälters ist aus dem Grunde erforderlich, weil er das im Verlaufe der Konzentrationsregelung ansteigende Flüssig­ keitsvolumen aufnehmen muß.

Ein wesentlicher Teil der Konzentrationsregelung der mit Lösun­ gen arbeitenden Kompressions-Wärmepumpen und Kompressions-Käl­ temaschinen ist die Kontrolle der Konzentration und die Stelle dieser Kontrolle.

Die Konzentrationskontrolle ist an dem Punkt des Kreislaufes durchzuführen, wo der den Zustand des Arbeitsmediums zeigende Punkt auf der Flüssigkeits-Grenzkurve liegt, das heißt, wo das Arbeitsmedium in reinem Flüssigkeitszustand ist. (Diese Stelle ist im Kreislauf der das Ende der Kondensation anzeigende Punkt.) An diesem Punkt kann die Konzentrationsmessung auf zweierlei Weise vorgenommen werden. Einerseits so, daß man an diesem Punkt die Wichte oder den pH-Wert des Arbeitsmediums mißt. Nach der anderen Möglichkeit wird an dem wie vorstehend bestimmten Punkt des Kreislaufs ein Behälter eingebaut und in diesem Behälter die Flüssigkeit so auf einem konstanten Niveau gehalten, daß die Masse des sich über dem Flüssigkeitspegel entwickelnden Dampfes im Vergleich zur Masse der Flüssigkeit vernachlässigbar bleibt. Die Konzentration des Arbeitsmediums wird hiernach auf die Weise bestimmt, daß im Behälter gleich­ zeitig der Druck und die Temperatur des Arbeitsmediums gemessen werden, woraus die Konzentration des Mediums berechnet werden kann. Hinsichtlich der Genauigkeit der Messung ist es wichtig, daß der Behälter einen kleinen Dampfraum aufweist und sich darin der Flüssigkeitsstand nicht verändert.

Im Falle der mit einer Konzentrationsregelung arbeitenden Wär­ mepumpe oder Kältemaschine erhöht sich mit dem Anstieg der flüchtigeren Komponentenmenge die Leistung der Einrichtung. Wird bei Einhaltung einer konstanten Temperatur im Verlaufe der Verdampfung die Menge der im Arbeitsmedium vorhandenen flüchti­ geren Komponente erhöht, so nimmt infolge des Anstieges des Druckes des Verdampfers die Dichte des aus dem Verdampfer aus­ tretenden Mediums zu, wodurch gesichert ist, daß der Kompressor zum Abtransport der entstehenden zusätzlichen Dampfmenge fähig ist.

Mit den mit Lösungen arbeitenden Kompressions-Wärmepumpen und Kompressions-Kältemaschinen kann auch eine Einrichtung verwirk­ licht werden, die unter Verwendung eines einzigen Kompressors zwei Kreisläufe unterschiedlicher Konzentration verbindet. Die beiden verschiedene Konzentration aufweisenden und mit einem gemeinsamen Kompressor betriebenen Wärmepumpen oder Kältema­ schinen können mit großen Temperaturdifferenzen betrieben wer­ den, ähnlich den herkömmlichen zweistufigen Wärmepumpen oder Kältemaschinen. Bei der aus zwei verschiedene Konzentration aufweisenden Kreisläufen bestehenden Einrichtung mit einem Kom­ pressor können die erwarteten Vorteile dann realisiert werden, wenn die Konzentrationsregelung der beiden Kreisläufe von ein­ ander unabhängig erfolgt.

Der Vorteil der aus zwei verschiedene Konzentrationen aufwei­ senden Kreisläufen bestehenden Einrichtung ist, daß die einzel­ nen Kreisläufe mit verschiedenen Temperaturniveaus betrieben werden können und dadurch der Temperaturbereich, in dem die Einrichtung als ganzes arbeitet, breiter wird. Der die niedri­ gere Konzentration aufweisende Kreislauf kann im höheren Tempe­ raturbereich, der die höhere Konzentration aufweisende Kreis­ lauf im niedrigeren Temperaturbereich betrieben werden. Bei der mit zwei verschiedene Konzentrationen aufweisenden Kreisläufen arbeitenden Wärmepumpe ist die Konzentration des durch den Kom­ pressor fließenden Arbeitsmediums von der Konzentration des Ar­ beitsmediums beider Kreisläufe abweichend, und die Konzentra­ tion des Arbeitsmediums der einzelnen Kreisläufe ist davon un­ abhängig der Leistungsregelung des gegebenen Kreislaufes ent­ sprechend einzustellen, was mit der Verwendung eines Nieder- oder Hochdruck-Flüssigkeitsbehälters verwirklicht werden kann.

Die Vorteile der erfindungsgemäß mittels der Konzentration er­ folgenden Leistungsregelung sind:

• - verlustlose Leistungsregelung,
• - optimaler Betrieb der Einrichtungen des Wärmepumpen-Kreis­ laufes,
• - von einander unabhängige Konzentrationseinstellung und -re­ gelung des Arbeitsmediums der in einem großen Temperaturbe­ reich arbeitenden, aus zwei verschiedene Konzentration auf­ weisenden Kreisläufen bestehenden Wärmepumpe oder Kältema­ schine.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die zu dessen Verwirklichung geeigneten Einrichtungen werden nachfolgend anhand schemati­ scher Zeichnungen von mehreren Ausführungsbeispielen detail­ liert beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 die mit einem Niederdruck-Behälter erfolgende Lei­ stungsregelung einer mit einem Lösungskreislaufarbei­ tenden Kompressions-Wärmepumpe,

Fig. 2 die mit einem Hochdruck-Behälter erfolgende Leistungs­ regelung einer mit einem Lösungskreislauf arbeitenden Kompress ions-Wärmepumpe,

Fig. 3 eine mit einem Lösungskreislaufarbeitende sowie mit einem Niederdruck-Behälter und einem inneren Wärmeaus­ tauscher versehene Kompressions-Wärmepumpe, wobei die Leistungsregelung von der Wärmeausnutzungs-Seite her erfolgt,

Fig. 4 eine mit einem Lösungskreislauf arbeitende sowie mit einem Hochdruck-Behälter und einem inneren Wärmeaustau­ scher versehene Kompressions-Wärmepumpe, wobei die Lei­ stungsregelung von der kalten Seite her erfolgt,

Fig. 5 eine Kompressions-Wärmepumpe mit zwei verschiedene Kon­ zentration aufweisenden Lösungskreisläufen und mit ei­ nem gemeinsamen Niederdruck-Behälter,

Fig. 6 eine Kompressions-Wärmepumpe mit zwei verschiedene Kon­ zentration aufweisenden Lösungskreisläufen und mit ei­ nem gemeinsamen Hochdruck-Behälter,

Fig. 7 in einem T-s Diagramm die Verhältnisse bei der mit ei­ nem Lösungskreisl aufarbeitenden Wärmepumpe im Ver­ gleich zu einer herkömmlichen Wärmepumpe,

Fig. 8 eine bereits bekannte mit einem Lösungskreislaufarbei­ tende Kompressions-Wärmepumpe und

Fig. 9 eine bereits bekannte mit einem Lösungskreislaufarbei­ tende Kompressions-Wärmepumpe mit einem inneren Wärme­ austauscher und einem Flüssigkeitsabscheider.

Fig. 7 veranschaulicht in einem T-s Diagramm, wie groß die me­ chanische Arbeit bei einer mit veränderlicher Temperatur erfol­ genden Verdampfung bzw. Kondensation ist, die im Vergleich zu einer herkömmlichen Maschine im Falle von gleichen Endtempera­ turen eingespart werden kann. Die beiden Endtemperaturen sind T1 und T2. Den Bedarf der herkömmlichen Maschine an mechani­ scher Arbeit veranschaulicht die Fläche ABCD, den Bedarf des mit einer Lösung als Arbeitsmedium betriebenen Kreislaufprozes­ ses hingegen die Fläche AB*CD*. Die mit dem Lösungskreislauf theoretisch einsparbare mechanische Arbeit wird durch die durch ABB* und CDD* begrenzte Fläche veranschaulicht.

Fig. 8 veranschaulicht die Schaltung einer aus den bekannten Bauteilen zusammengestellten, mit einem Lösungskreislaufarbei­ tenden Wärmepumpe oder Kältemaschine, in der das aus dem Kom­ pressor 1 austretende Gemisch gegebener Konzentration in den Kondensator 2 (Absorber) gelangt, wo der eine höhere Konzentra­ tion aufweisende Dampf während der Wärmeabgabe kondensiert und dann in der eine niedrigere Konzentration aufweisenden flüssi­ gen Phase gelöst wird. Dies erfolgt nach dem für die Konzentra­ tion des Kreislaufes kennzeichnenden Temperaturverlauf. Von hier aus tritt das Medium in das Expansionsventil 3 ein, das es durchströmt, wobei sein Druck abfällt. Mit diesem niedrigeren Druck tritt die Lösung in den Verdampfer 4 (Austreiber) ein, wo infolge der von außen zugeführten Wärme am Anfang des Verdamp­ fers aus der noch eine hohe Konzentration aufweisenden Flüssig­ keitsphase eine hohe Konzentration aufweisender Dampf bei stei­ gender Temperatur austritt. In der zurückbleibenden flüssigen Phase nehmen die flüchtigeren Komponenten in ihrer Menge ent­ lang des Verdampfers kontinuierlich ab und so gelangt dann das Medium zum Eintritt in den Kompressor 1.

Fig. 9 veranschaulicht die am meisten bekannte, mit einem Lö­ sungskreislaufarbeitende Kompressions-Wärmepumpenschaltung, die der deutschen Patentschrift Nr. 84 084 entsprechende Osen­ brück-Schaltung. Bei dieser Ausführung werden ein innerer Wär­ metauscher 5, ein Flüssigkeitsabscheider 6 und eine Flüssig­ keitspumpe 7 eingesetzt.

Fig. 1 zeigt eine mit einem Niederdruck-Flüssigkeitsbehälter versehene Variante der Erfindung, bei der vorgeführt wird, mit welchen Bauelementen die bekannte Schaltung ergänzt werden muß, um die Konzentration des Kreislaufes und dadurch seine Leistung regeln zu können. Die Größe des Flüssigkeitsbehälters 6 ist so auszuwählen, daß in ihm die im Verlaufe der Konzentrationsrege­ lung sich ändernde Lösungsmenge niedriger Konzentration aufge­ nommen werden kann. E bezeichnet den bei diesem Bemessungszu­ stand sich ergebenden Flüssigkeitspegel, der sich zwischen E′′ und E′ bewegen kann. Wird die Maschine bei hoher Konzentration betrieben, so spielt sich die Flüssigkeit auf den Pegel E′′, bei niedriger Konzentration hingegen auf den Pegel E′ ein. Ein wichtiger Teil der Schaltung ist der Behälter 8, der eine dop­ pelte Funktion versieht. Einerseits hält darin der Niveauregler 11 einen konstanten Flüssigkeitspegel, und von diesem Pegel er­ folgt die Steuerung des Expansionsventils 3, andererseits wird hier die Konzentration beobachtet. Zum Konzentrationsfühler 10 gehören ein Temperatur- und ein Druckmesser. Aus den gleichzei­ tig gemessenen Werten der Temperatur und des Druckes kann die Konzentration bestimmt werden und zwar kann mit Hilfe des Ar­ beitsmedium-Berechnungsalgorithmus der Lösung die hier vorhan­ dene Konzentration bestimmt werden. Der Wert dieser Konzentra­ tion steuert das Regelventil 9. Erfordert der Kreislauf einen Rückgang der Konzentration, so schließt das Regelventil 9 und die Pumpe 7 fördert mehr Lösung in den Kreislauf. Ist hingegen eine Erhöhung der Konzentration erforderlich, so öffnet das Ventil 9 und ein Teil der niedrige Konzentration aufweisenden Lösung (Flüssigkeit) gelangt in den Flüssigkeitsbehälter 6 zu­ rück.

Mittels des bei der Schaltung verwendeten Ventils 13 kann gere­ gelt werden, daß, soweit erforderlich, im Kompressor 1 ein Me­ dium anderer Konzentration als im Wärmetauscher enthalten ist. Dieses Ventil 13 wird zweckdienlicherweise von der Austritt­ stemperatur des Kompressors mit Hilfe des Temperaturfühlers 12 gesteuert. Wenn bei dieser Ausführungslösung der Regler 13 ar­ beitet, so ist im Kompressor stets ein Medium höherer Konzen­ tration als in den Wärmeaustauschern enthalten.

Fig. 2 zeigt die mit einem Hochdruckbehälter versehene Vari­ ante der Erfindung. Der zur Konzentrationsregelung nötige Hoch­ druck-Flüssigkeitsbehälter 14 wird an der Austrittsseite des Kompressors 1 angeordnet. Daraus strömt der Dampf in Fortset­ zung des Kreislaufs unmittelbar in den Kondensator 2, die Flüs­ sigkeit wird mittels der Pumpe 15 durch eine Zweigleitung ge­ fördert. Die übrigen Bauelemente und deren Arbeitsweise sind denen bei der vorstehend beschriebenen Ausführung gleich. Die Verwendung des Hochdruck-Behälters 14 ist auch mit dem Vorteil verbunden im Vergleich zur Variante mit dem Niederdruck-Behäl­ ter, daß die Leistungsaufnahme der Flüssigkeitspumpe geringer sein wird, da sie bei einer geringeren Druckdifferenz arbeitet. Bei der Schaltung sind das Regelventil 13, der Temperaturfühler 12 und der Flüssigkeits-Wärmeaustauscher 18 notwendig, wobei letzterer die separat geführte Flüssigkeit kühlt. Bei dieser Ausführung ist, wenn der Regler 13 arbeitet, die sich im Wärme­ austauscher ergebende Konzentration stets höher als im Kompres­ sor. Bei dieser Schaltung ermöglicht es der Regler 21, in den beiden Wärmeaustauschern (im Kondensator bzw. im Verdampfer) jeweils andere Konzentrationen einzustellen. In dem von der Hochdruckseite zurückführenden Flüssigkeitsleitungsabschnitt ist das Expansionsventil 19 einzusetzen.

Fig. 3 zeigt zusätzlich zur in Fig. 1 dargestellten Variante mit dem Niederdruck-Behälter einen inneren Wärmeaustauscher 5. Die Konzentrationsregelung erfolgt mittels der Vorlauftempera­ tur 17 der Wärmeausnutzung. Die Schaltung enthält einen unmit­ telbaren Konzentrationsfühler 16, der nur in einen Leitungsab­ schnitt eingesetzt werden kann, in dem das Arbeitsmedium voll­ ständig aus flüssiger Phase besteht. Aus diesem Grunde ist die­ ser Fühler hinter dem inneren Wärmeaustauscher 5 eingebaut. Die Arbeitsweise der übrigen Bauelemente ist der bei der Fig. 1 beschriebenen gleich.

Fig. 4 veranschaulicht die in Fig. 2 beschriebene mit einem Hochdruck-Behälter versehene Variante mit einem inneren Wärme­ austauscher 5. Die Regelung der Konzentration erfolgt von der Kühlungsseite her über die Temperatur-Regelung durch den Tempe­ raturfühler 20. Bei dieser Schaltungsanordnung ist im Vergleich zu der in Fig. 2 in der getrennt geführten Zweigleitung der flüssigen Phase noch ein Expansionsventil erforderlich, um die nötige Temperaturdifferenz im inneren Wärmeaustauscher zu er­ reichen.

Fig. 5 zeigt die mit einem Niederdruck-Behälter 6 ausgestat­ tete Variante mit zwei verschiedene Konzentration aufweisenden Kreisläufen. In der Figur sind die Bezugszeichen für die Bau­ elemente des mit niedriger Konzentration arbeitenden Kreis­ laufes mit /1, des mit hoher Konzentration arbeitenden Kreis­ laufes mit /2 ergänzt. Die Einrichtung enthält den Flüssig­ keitsbehälter 6, den Kompressor 1, die Pumpe 7, den Regler 13 und den Temperaturfühler 12. Die beiden Kreisläufe haben von einander unabhängige Regler 9/1 und 9/2, die von den Konzentra­ tionsfühlern 10/1 und 10/2 gesteuert werden, und so gelangen in die beiden Kreisläufe niedrige Konzentration aufweisende Flüs­ sigkeitsphasen unterschiedlicher Menge zurück, weshalb die Kon­ zentration der beiden Kreisläufe unterschiedlich sein wird.

Der Kompressor 1 saugt aus dem Behälter 6 den hohe Konzentra­ tion aufweisenden Dampf an, der dann in die Kondensatoren 2/1 und 2/2 der beiden Kreisläufe gelangt. Vor dem Eintritt in die Kondensatoren wird durch die Regler 9/1 und 9/2 flüssige Phase niedriger Konzentration in den Dampf zurückgeführt, damit die dem Kreislauf /1 bzw. /2 zugeordneten verschiedenen Konzentra­ tionen erreicht werden. Das aus dem Kondensator austretende de­ kondensierte Gemisch tritt in die Behälter 8/1 bzw. 8/2 ein, deren Flüssigkeitspegel konstant bleibt und wo die Kontrolle der Konzentration des betreffenden Kreises erfolgt. Die von hier austretende Flüssigkeit gelangt in die inneren Wärmeaus­ tauscher 5/1 bzw. 5/2, wo sie weiter abkühlt und dann durch die Expansionsventile 3/1 bzw. 3/2 strömt. Das auf den Verdamp­ fungsdruckpegel zurückgegangene Arbeitsmedium durchströmt die Verdampfer 4/1 bzw. 4/2 und vereinigt sich in dem Sammelbehäl­ ter 6 der beiden Kreisläufe, in dem sich die Dampf- und die Flüssigkeitsphase trennen.

Auch bei der mit zwei verschiedenen Konzentrationen und einem Kompressor arbeitenden Wärmepumpe ist es zweckdienlich, die zum optimalen Betrieb des Kompressors erforderliche Konzentrations­ regelung zu verwirklichen, was mit dem vorstehend bereits be­ schriebenen Wärmefühler 12 und Regler 13 durchgeführt werden kann. Diese Regelung kann an die Flüssigkeitszweigleitung jedes Kreislaufes beliebiger Konzentration angeschlossen werden.

Fig. 6 zeigt die mit einem Hochdruck-Behälter 14 ausgestattete Variante einer mit zwei verschiedenen Konzentrationen und einem Kompressor arbeitenden Einrichtung. Bei dieser Variante verei­ nen sich die beiden Kreisläufe vor dem Kompressor und strömt das Arbeitsmedium komprimiert in den Hochdruck-Flüssigkeitsbe­ hälter 14. Aus dem Behälter strömt der eine hohe Konzentration aufweisende Dampf den beiden Kreisläufen folgend in zwei Rich­ tungen. Die Konzentration der beiden Kreisläufe entwickelt sich zufolge der vor die Kondensatoren 2/1 und 2/2 zurückgeführten, eine niedrige Konzentration aufweisenden flüssigen Phase. Die Förderung der flüssigen Phase versieht die Pumpe 15. Nach den Kondensatoren strömt das Arbeitsmedium wie bei Fig. 5 beschrie­ ben durch die beiden Kreisläufe. Auch bei dieser Ausführung ist es zweckdienlich, den zum optimalen Betrieb des Kompressors er­ forderlichen Konzentrations-Regler 13 vorzusehen, wobei jedoch hier auch der Einsatz des Flüssigkeitskühlers 18 nötig ist.

Vorstehend wurde zur Verwirklichung der Erfindung eine Einrich­ tung beschrieben, die mit einem Kreislauf oder mit zwei einem gemeinsamen Kompressor zugeordneten Kreisläufen arbeitet, in denen unterschiedliche Konzentrationen des Arbeitsmediums und dementsprechend abweichende Temperaturverhältnisse herrschen. Es ist aber auch möglich, in entsprechender Weise mit drei oder mehr Kreisläufen jeweils unterschiedlicher Konzentration zu ar­ beiten. Ebenso ist vorstehend stets von einem Arbeitsmedium bzw. einer Lösung aus zwei Komponenten die Rede. Deswegen sei darauf hingewiesen, daß die Vorteile der Erfindung sich auch mit einem aus drei oder mehr Komponenten unterschiedlicher Flüchtigkeit zusammengesetzten Arbeitsmedium erzielen lassen. Auch bei diesem ergeben sich in entsprechender Weise unter­ schiedliche Konzentrationen für die im Gleichgewicht miteinan­ der stehende flüssige und dampfförmige Phase.

Claims (15)

1. Verfahren zur Leistungsregelung einer mit einem ineinander gut löslichen Medienpaar arbeitenden Kompressions-Wärme­ pumpe und/oder Kältemaschine, bei dem das im Kreislauf ge­ führte Arbeitsmedium kondensiert, expandiert, verdampft und komprimiert wird, die Dampfphase und die Flüssigkeits­ phase des Arbeitsmediums an einer großen Konzentrationsun­ terschied zwischen den beiden Phasen aufweisenden Stelle getrennt werden und die eine niedrigere Konzentration auf­ weisende abgetrennte Flüssigkeit an wenigstens einer ande­ ren Stelle des Kreislaufs wieder in diesen zurückgeführt und dem eine höhere Konzentration aufweisenden abgetrennten Dampf beigemischt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die ab­ getrennte Flüssigkeitsphase bei variabler Mengenspeicherung der Flüssigkeit geregelt in den Kreislauf zurückgeführt und dadurch über die Konzentrationsregelung im Kreislauf die Wärme- und/oder Kühlleistung geregelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Kompressor zwei Kreisläufe miteinander verbindet, so daß zwei Kondensatio­ nen, zwei Expansionen, zwei Verdampfungen und eine gemein­ same Komprimierung stattfinden, dadurch gekennzeichnet, daß in den in den beiden voneinander unabhängigen Kreisläufen strömenden, eine hohe Konzentration aufweisenden Dampf ver­ schiedene Flüssigkeitsmengen niedriger Konzentration zu­ rückgeführt werden, so daß mit den zwei verschiedenen Kon­ zentrationen aufweisenden Kreisläufen in einem breiten Tem­ peraturbereich gearbeitet werden kann.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsrückführung in Abhängigkeit von der Konzentration an einem Punkt des Kreislaufs geregelt wird, in dem der Zustand des Arbeitsmediums auf der Grenzkurve der Flüssigkeit liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentrationsbestimmung mittels einer kombinierten Messung von Druck und Temperatur des Arbeitsmediums erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentrationsbestimmung in einem Gefäß erfolgt, in dem der Flüssigkeitspegel auf einem konstanten Wert gehal­ ten wird und in dem die Masse des Dampfs im Vergleich zur Masse der Flüssigkeit vernachlässigbar ist.

6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Kompressor (1) und wenigstens einem durch den Kompressor (1) führenden Kreislauf für das Arbeitsmedium, der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums hinter dem Kom­ pressor (1) einen Kondensator (2), ein Expansionsventil (3) und einen Verdampfer (4) aufweist, wobei die Kreislauflei­ tung in einen Phasen-Trennbehälter (6, 14) mündet, von dem ein Kreislaufleitungsabschnitt für die Dampfphase und eine Zweigleitung mit einer Pumpe (7, 15) für die Flüssigkeits­ phase ausgehen, die an einer nachfolgenden Mischstelle des Kreislaufs zusammentreffen, dadurch gekennzeichnet, daß der Zweigleitung für die Flüssigkeitsphase eine den Flüssig­ keitsdurchsatz zur Mischstelle steuernde Regeleinrichtung (9) zugeordnet ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung von einem Regelventil (9) in einer Um­ wälzleitung gebildet ist, die die Zweigleitung mit dem Pha­ sen-Trennbehälter (6, 14) verbindet.

8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Kreislauf zwischen dem Kondensator (2) und dem Ex­ pansionsventil (3) ein Gefäß (8) angeordnet ist, dem ein Konzentrationsfühler (10) zugeordnet ist, der die Regelein­ richtung (9) steuert.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gefäß (8) ein Flüssigkeitsstandfühler (11) zugeordnet ist, der über eine Steuerung des Expansionsventils (3) den Flüssigkeitsstand konstant hält.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasen-Trennbehälter ein vor dem Kompressor (1) angeordneter Niederdruck-Behälter (6) ist, der die in ihrer Menge veränderliche flüssige Phase auf­ nimmt.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasen-Trennbehälter ein an der Austrittsseite des Kompressors (1) angeordneter Hochdruck- Behälter (14) ist, der die in ihrer Menge veränderliche Flüssigkeits-Phase aufnimmt.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11 zur Durchfüh­ rung des Verfahrens nach Anspruch 2 mit zwei mit unter­ schiedlichem Temperaturniveau betriebenen Kreisläufen mit jeweils einem Kondensator (2/1 bzw. 2/2), einer Konzentra­ tionskontrollstelle (8/1 bzw. 8/2), einem Expansionsventil (3/1 bzw. 3/2), einem Verdampfer (4/1 bzw. 4/2) und einem Wärmeaustauscher (5/1 bzw. 5/2), dadurch gekennzeichnet, daß den beiden Kreisläufen außer einem gemeinsamen Konden­ sator (1) auch ein gemeinsamer Phasen-Trennbehälter (6, 14) zugeordnet ist und daß jeder Kreislauf mit einer eigenen, unabhängig voneinander betriebenen Regeleinrichtung (9/1 bzw. 9/2) für die Flüssigkeitsrückführung in den betreffen­ den Kreislauf versehen ist.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine an den Phasen-Trennbehälter (5, 14) angeschlossene Rückführnebenleitung für flüssiges Ar­ beitsmedium vor dem Kompressor (1) oder in den Kompressor (1) einmündet und mit einem Durchsatzregler (13) versehen ist, der von einem Temperaturfühler (12) hinter dem Kom­ pressor (1) gesteuert ist.

14. Einrichtung nach den Ansprüchen 11 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführnebenleitung zur Kühlung des flüssigen Arbeitsmediums durch einen gesonderten Wärme­ austauscher (18) führt.

15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einem vom Arbeitsmedium durchströmten Wärmetauscher (4) eine an den Phasen-Trennbe­ hälter (6, 14) angeschlossene Rückführzusatzleitung für flüssiges Arbeitsmedium mit einem Durchsatzregler (21) zu­ geordnet ist, um den Wärmetauscher (4) mit einer die gün­ stigsten Wärmeübertragungsverhältnisse bietenden individu­ ellen Konzentration des Arbeitsmediums zu betreiben.