NL1042999B9 - Inrichting, bestemd en ingericht als warmtepompsysteem met boostercircuit als warmtebron voor bijvoorbeeld een cv- of andere installatie - Google Patents

Abstract

UITTREKSEL Warmtepompsysteem omvattende een circulatiekanaal tussen een verdamper en een condensor via een dampcompressor en 5 weer terug via een expansieorgaan. In het terugvoerdeel van het circulatiekanaal is een boosterwarmtewisselaar opgeno- men waarvan het secundaire circuit is verbonden met een boosterdampingang van de dampcompressor. Voorts is voorzien in een besturingsorgaan, een temperatuur- en/of druksensor 10 voor het meten van de temperatuur resp. druk in de dampcom- pressor, en in een door het besturingsorgaan bestuurbaar regelventiel dat is opgenomen in het boostercircuit. In een iteratief proces wordt de toevoer van damp via het booster- circuit door het regelventiel gestaakt zodra de temperatuur 15 en/of de druk een uiterste grenswaarde bereikt. Na een be- paalde tijd t wordt door het regelventiel de toevoer van damp naar de boosterdampingang weer hersteld. Het iteratie- ve proces wordt herhaald zolang de warmtevraag van de in- richting dat vergt. 20 (FIG. 1) 1042999

Description

Korte aanduiding: Inrichting, bestemd en ingericht als warmtepompsysteem met boostercircuit als warmtebron voor bijvoorbeeld een cv- of andere installatie

BESCHRIJVING De uitvinding heeft betrekking op een inrichting die is be- stemd en ingericht als warmtepompsysteem als warmtebron voor bijvoorbeeld een cv- of andere installatie.

Warmtepompsystemen zijn van algemene bekendheid (zie bij- voorbeeld https://nl.wikipedia.org/wiki/warmtepomp) die op- nieuw in de belangstelling staan in verband met milieueisen en energiebehoeften.

De onderhavige uitvinding beoogt te voorzien in een warmte- pompsysteem waarin substantieel hogere temperaturen kunnen worden gereikt dan tot dusverre het geval was. De onderha- vige uitvinding berust daarbij op het inzicht dat in het bijzonder de dampcompressor van de installatie aanmerkelijk zwaarder kan worden belast als bij het starten van de in- stallatie, maar ook gedurende het in bedrijf zijn, de be- lastbaarheid van de compressor als het ware kan worden ge- traind of "opgerekt" indien, evenals bij fysieke training van mens of dier, de belasting bijvoorbeeld trapsgewijs wordt verhoogd door toepassing van "stretch/relax"- besturing van het systeem, waardoor het systeem een sub- stantieel hogere output kan leveren, zich vertalend in eenhogere efficiency en een hogere watertemperatuur wanneer het warmtepompsysteem wordt gebruikt als warmtebron voor een cv-installatie.

In het algemeen omvat een inrichting die is bestemd en in- gericht als warmtepompsysteem, dienend als warmtebron voor bijvoorbeeld een cv- of andere installatie, omvattende een circulatiekanaal waarvan een toevoerdeel is ingericht voor het transporteren van een warmtetransportmiddel in damp- vorm, hierna damp genoemd, van de uitgang van een verdamper naar de ingang van een condensor, via een dampcompressor die is ingericht om via een lagedrukingang de van de ver- damper afkomstige damp via een lagedrukgedeelte van het toevoerdeel van het circulatiekanaal aan te zuigen en te comprimeren van een lage naar een hoge druk en de onder ho- ge druk gebrachte damp via een hogedrukgedeelte van het toevoerdeel van het circulatiekanaal aan de condensor af te geven. Het circulatiekanaal omvat tevens een terugvoerdeel (IT), dat is ingericht voor het transporteren van het warm- temiddel van de uitgang van de condensor naar de ingang van de verdamper via een expansieorgaan (bijvoorbeeld een ex- pansieventiel, smoorklep, evt. turbine) dat is ingericht om de druk van het van de uitgang van de condensor afkomstige warmtetransportmiddel te verlagen en aldus het warmtemiddel te decomprimeren/expanderen. In het terugvoerdeel van het circulatiekanaal is een primair circuit van een, een pri- mair en een secundair circuit omvattende boosterwarmtewis- selaar is opgenomen, bij voorkeur in het hogedrukgedeelte van het terugvoerdeel van het circulatiekanaal, d.w.z. tus- sen de uitgang van de condensor en het expansieorgaan. Het secundaire circuit van de boosterwarmtewisselaar is opgeno- men in een boostercircuit tussen enerzijds het terugvoer- deel van het circulatiekanaal, aan de zijde van de ingangof van de uitgang van het primaire circuit (d.w.z. in mee- resp. tegenstroomschakeling) en een boosterdampingang van ofwel de hiervoor reeds genoemde dampcompressor ofwel een andere dampcompressor die (in beide gevallen) met zijn ho- gedrukzijde is verbonden met het hogedrukgedeelte van het toevoergedeelte van het circulatiekanaal. Volgens de uit- vinding is verder voorzien in een besturingsorgaan, zoals een microprocessor of -controller, in een temperatuur- en/of druksensor voor het meten van de temperatuur resp.

druk van resp. in de eerstgenoemde dampcompressor, en in een door het besturingsorgaan bestuurbaar regelventiel dat is opgenomen in het boostercircuit, waarbij de sensoren tijdens bedrijf de gemeten temperatuur resp. druk aan het besturingsorgaan doorgeven, terwijl het besturingsorgaan zo is ingericht resp. geprogrammeerd dat, in een iteratief proces, de toevoer van damp via het boostercircuit naar de boosterdampingang door middel van het regelventiel wordt gestaakt of verminderd zodra de temperatuur en/of de druk van resp. in de dampcompressor een uiterste grenswaarde voor de temperatuur- resp. drukwaarde van resp. in de damp- compressor bereikt, waarna het besturingsorgaan, na een door het besturingsorgaan bepaalde tijd t, door middel van het regelventiel de toevoer van damp via het boostercircuit naar de boosterdampingang weer herstelt, waarna het itera- tieve proces wordt herhaald zolang de warmtevraag van de inrichting dat vergt.

Bij voorkeur is de eerstgenoemde dampcompressor van het ty- pe spiraalcompressor (Eng. "scroll compressor") is, omvat- tende een lagedrukingang, een hogedrukuitgang en een boos- teraansluiting, waarbij het secundaire circuit van de boos- terwarmtewisselaar met zijn uitgang is verbonden met de boosteraansluiting van de spiraalcompressor die met zijnhogedrukzijde is verbonden met het hogedrukgedeelte van het toevoergedeelte van het circulatiekanaal.

In een alternatieve uitvoering kan de dampcompressor van een type zijn zonder boosteraansluiting, waarbij het secun- daire circuit van de boosterwarmtewisselaar met zijn uit- gang is verbonden met een (extra) hulp- of boostercompres- sor die, evenals de eerstgenoemde dampcompressor, met zijn hogedrukzijde is verbonden met het hogedrukgedeelte van het toevoergedeelte van het circulatiekanaal.

De gebruikte compressor is bij voorkeur van het type scroll compressor die een (extra) aansluiting bezit voor inspui- ting van een damp (damp- of gasvormig warmtetransportmid- del) met reeds een verhoogde temperatuur.

De damp met een hoge temperatuur wordt verkregen door de hogedrukvloeistof die terugkomt vanuit de condensor terug om te zetten naar damp via een expansieventiel wordt ingespoten in het secun- daire circuit van de boosterwarmtewisselaar (ook wel "eco- nomizer" genoemd). Hierdoor wordt een damp verkregen met een hoge temperatuur die vervolgens, wanneer nodig (afhan- kelijk van de warmtevraag), word ingespoten via de extra boosteraansluiting op de compressor waardoor een extra hoge uitgangstemperatuur kan worden bereikt aan de hogedrukzijde van de compressor.

Om de compressor niet defect te laten draaien door de hoge druk en/of hoge temperatuur, word de toevoer van hete damp naar de boosteraansluiting van de compressor zorgvuldig ge- regeld door de microcomputer die via data, verkregen door de diverse sensoren, de sturing van de temperatuur in de compressor nauwkeurig stuurt.

Om te voorkomen dat de com- pressor oververhit raakt of dat er een te hoge druk wordtverkregen, wordt door de temperatuursensor de (kop) tempera- tuur van de compressor en door de druksensor van de com- pressor de daarbinnen heersende drukwaarden opgenomen en naar de microcomputer gestuurd. Met deze waarden berekend 5 de microcomputer wanneer er gekoeld moet worden. Als de temperatuur in de compressor te hoog wordt of als de daar- van afhankelijke druk te hoog word zal de microcomputer het regelventiel (magneetklep) in het boostercircuit dicht stu- ren. Hierdoor wordt de hogedrukvloeistof direct en volledig naar de verdamper gestuurd waardoor er alleen een lagedruk damp met een lage temperatuur in de compressor word inge- spoten. Door dit proces goed te sturen word de compressor nooit te heet en moet hij nooit werken onder een te hoge druk. Door echter tijdelijk (denk aan het hierboven genoem- de "trainingseffect") de temperatuur hoog op te laten lopen in de compressor wordt de druk hier navenant hoger. Door tijdelijk met erg hoge drukken te werken en daarna de com- pressor te laten afkoelen kunnen in condensor substantieel hogere temperaturen worden bereikt dan zonder het "trainen" van de inrichting. Doordat men aldus stapsgewijs door mid- del van extra inspuiting, via het boostercircuit, in de compressor van damp met een hoge temperatuur en daarbij de compressor (net) op tijd terugkoelt (door onderbreken of verminderen van de boosterstroom aan de boosteringang van de compressor) wordt de temperatuur in condensor stapsge- wijs verhoogd tot, zoals inmiddels praktijkproeven hebben uitgewezen, wel een temperatuur van 115°C in plaats van ca. 55°C zoals tot dusverre, zonder gebruikmaking van het trai- ningsproces volgens de uitvinding, het geval is.

Hierbij wordt nog het volgende opgemerkt. De hoge tempera- turen kunnen alleen bereikt worden door te werken met hoge drukken en inspuiten van warme damp. Echter hoe hoger detemperatuur wordt hoe heter de compressor en hoe hoger de druk in de compressor. Een compressor kan van zichzelf tij- delijk zeer hoge drukken aan maar niet voor lange tijd. Dus om hoge temperaturen te kunnen bereiken in condensor zal men de tijdsduur gedurende welke de compressor onder hoge druk werkt, daarbij rekening houdend met de temperatuur, in de gaten moeten houden. Hoe hoger de druk en de temperatuur in de compressor hoe korter deze zal kunnen presteren voor- dat de compressor uitvalt door (te) langdurig draaien onder hoge druk. De microcomputer berekent zeer nauwkeurig de tijdsduur die benut kan worden om tot een hoge condensor- temperatuur te kunnen komen en schakelt precies op tijd over op de koelmodus voor de compressor (afsluiten of ver- minderen van de hete boosterstroom via het boostercircuit.

Het is van belang om weliswaar de koelmodus een tijdsduur te geven die juist genoeg is om de compressor voldoende te laten afkoelen, maar er daarbij voor te zorgen de tempera- tuur in het systeem hoog te houden, namelijk door de tijds- duur van de terugkoeling van de compressor zo kort mogelijk te houden. Echter is daarbij het volgende het geval: hoe hoger de temperatuur wordt in het systeem, hoe vaker de compressor zal moeten afkoelen. In bedrijf ziet men dit dan ook terug en ziet men dat de stappen korter worden maar dat de temperatuur in het systeem omhoog gaat. Dit omhoog lopen van de temperaturen in het systeem bereikt men door na het afkoelen van de compressor (regelklep in het boostercircuit dicht of minimaal) direct weer warm damp in te spuiten in de compressor (regelklep in het boostercircuit open). Hier- door verliest men geen temperatuur in het systeem, omdat de compressor direct weer een hoge afgifte heeft van gecompri- meerde hete damp en zich niet eerst weer tot een hoge tem- peratuur moet opwerken waardoor de temperatuur in het sys- teem te veel zal afkoelen.

Is het systeem ten slotte op de gewenste temperatuur dan zal de compressor geheel uitschakelen. Maar om energie te besparen zal, als er nog warmtevraag is, de microcomputer de temperatuur van het systeem in de gaten blijven houden en wanneer deze zakt tot een temperatuurverschil met een delta T van meer dan 10°C (cv-water temperatuur) ten op- zichte van de ingestelde gewenste temperatuur zal de com- pressor weer opstarten om de verloren temperatuur weer te- rug te brengen op de gewenste temperatuur.

De uitvinding zal thans nader worden besproken aan de hand van onderstaande {figuurbeschrijving.

Figuur 1 toont een schematische voorstelling van een uitvoeringsvoorbeeld van een inrichting vol- gens de uitvinding, voorzien van een spiraal- compressor met boosteringang; Figuur 2 toont een schematische voorstelling van een uitvoeringsvoorbeeld van een inrichting vol- gens de uitvinding, voorzien van een compres- sor zonder boosteringang, waarbij gebruik wordt gemaakt van een extra hulpcompres- sor/boostercompressor; Figuur 3 toont een voorbeeld van een "stapjesdiagram" waarin het temperatuurs- en drukverloop van de compressor als functie van de tijd wordt weer- geven voor een inrichting met een substantiële warmtevraag.

De figuren 1 en 2 tonen beide een schematische voorstelling van een uitvoeringsvoorbeeld van een inrichting 1 volgens de uitvinding die is bestemd en ingericht als warmtepomp- systeem, dienend als warmtebron voor bijvoorbeeld een cv- installatie 2 of andere installatie. De inrichting 1, d.w.z. het eigenlijke warmtepompsysteem, omvat een circulatiekanaal 3 waarvan een toevoerdeel 3a-b (zie ook stroomrichtingspijlen 4) is ingericht voor het transporteren van een warmtetransportmiddel in dampvorm, hierna damp genoemd, van de uitgang 5b van een verdamper 5 naar de ingang 6a van een condensor 6, via een dampcompres- sor 7 die is ingericht om via een lagedrukingang 7a de van de verdamper 5 afkomstige damp via een lagedrukgedeelte 3a van het toevoerdeel 3a-b van het circulatiekanaal 3 aan te zuigen en te comprimeren van een lage naar een hoge druk en de onder hoge druk gebrachte damp via een hogedrukgedeelte 3b van het toevoerdeel van het circulatiekanaal 3 naar de ingang 6a van de condensor 6 te stuwen (pompen).

Het circulatiekanaal 3 omvat een terugvoerdeel 3c-d dat is ingericht voor het transporteren van het warmtemiddel van de uitgang 6b van de condensor 6 naar de ingang 5a van de verdamper 5 via een expansieorgaan 8 dat is ingericht om de druk van het van de uitgang 6b van de condensor 6 afkomsti- ge warmtetransportmiddel te verlagen door middel van expan- sie van het warmtetransportmiddel. In het terugvoerdeel 3c-d van het circulatiekanaal 3 is een primair circuit 9a van een, een primair en een secundair circuit 9a resp. 9b omvattende boosterwarmtewisselaar 9 op- genomen waarvan het secundaire circuit 9b is opgenomen in een boostercircuit 10 tussen enerzijds het hogedrukgedeelte

3c van het terugvoerdeel 3c-d van het circulatiekanaal 3 en een boosterdampingang 7c van ofwel de hiervoor reeds ge- noemde dampcompressor 7, zoals voorgesteld in figuur 1, of- wel een andere (hulp- of booster) dampcompressor, zoals voorgesteld in figuur 2, die (in beide uitvoeringen) met zijn hogedrukzijde 7b is verbonden met het hogedrukgedeelte 3b van het toevoergedeelte 3a-b van het circulatiekanaal 3. In de getoonde uitvoeringsvoorbeelden is het secundaire circuit 9b van de boosterwarmtewisselaar 9 met het hoge- drukgedeelte 3b van het toevoergedeelte 3a-b van het circu- latiekanaal 3 verbonden via een vanuit een besturingsorgaan 11 bestuurbaar expansie/regelventiel 12, hierna regelven- tiel genoemd.

Behalve het besturingsorgaan 11, bijvoorbeeld een micropro- cessor of —-controller, en het door het besturingsorgaan 11 bestuurbare regelventiel 12 dat is opgenomen in het boos- tercircuit 10, is verder nog voorzien in een temperatuur- en druksensor 13 resp. 14 voor het meten van de temperatuur resp. druk van resp. in de dampcompressor 7. De sensoren geven tijdens bedrijf van de inrichting de ge- meten temperatuur resp. druk aan het besturingsorgaan 11 door. Het besturingsorgaan 11 zo is ingericht resp. gepro- grammeerd dat, in een iteratief proces (zie figuur 3), de toevoer van damp via het boostercircuit 10 naar de booster- dampingang 7c door middel van het regelventiel 12 wordt ge- staakt of verminderd zodra de temperatuur en/of de druk van/in de dampcompressor een uiterste grenswaarde Tmax resp.

Pmax voor de temperatuur- resp. drukwaarde van/in de damp- compressor bereikt, waarna het besturingsorgaan 11, na een door het besturingsorgaan 11 bepaalde tijd t, door middel van het regelventiel 12 de toevoer van damp via het boos-

tercircuit 10 naar de boosterdampingang 7c weer herstelt. Dit iteratieve proces wordt herhaald zolang de warmtevraag van de inrichting dat vergt.

Aldus vindt in en door middel van de inrichting 1 warmte- transport, voorgesteld door pijlen 15a-c plaats vanuit een warmtebron met een lage temperatuur, bijvoorbeeld omge- vingslucht, die door bijvoorbeeld een ventilator (niet ge- toond) aan de verdamper 5 wordt toegevoerd (de verdamper 5 vormt daarmee een lucht/vloeistofwarmtewisselaar) . Door middel van de inrichting volgens de uitvinding wordt de door de verdamper opgenomen warmte substantieel in tempera- tuur verhoogd waarbij de warmte op die hoge temperatuur aan de condensor 6 wordt afgegeven. De condensor 6 vormt het primaire circuit van (bijvoorbeeld) een vloei- stof/vloeistofwarmtewisselaar waarvan het secundaire cir- cuit 6c is als warmtebron (met een hoge temperatuur) is op- genomen in het circulatiecircuit 16 van de reeds eerder ge- noemde cv-installatie 2, waarin het warmtetransportmiddel (doorgaans water) door middel van een circulatiepomp 17 door radiatoren 18 wordt rondgepompt, waardoor de warmte 15¢ aan de omgeving van de radiatoren wordt afgegeven. Ver- der wordt het secundaire circuit 6c van de vloeistof/vloei- stofwarmtewisselaar, zoals gebruikelijk in elke hedendaagse cv-installatie, door middel van bijvoorbeeld een wisselklep (niet getoond), gebruikt voor het verwarmen van tapwater. Figuur 1 toont, zoals gezegd, een uitvoeringsvoorbeeld waarbij de dampcompressor 7 van het type spiraalcompressor (Eng. "scroll compressor”) is, omvattende een lagedrukin- gang 7a, een hogedrukuitgang 7b en een boosteraansluiting 7c, waarbij het secundaire circuit 9b van de boosterwarmte- wisselaar 9 met zijn uitgang 9c is verbonden met de boos-

teraansluiting 7c van de spiraalcompressor 7 die met zijn hogedrukzijde 7b is verbonden met het hogedrukgedeelte 3b van het toevoergedeelte 3a-b van het circulatiekanaal 3.

Figuur 2 toont een uitvoeringsvoorbeeld waarbij de dampcom- pressor 7 van een type is zonder boosteraansluiting, waar- bij het secundaire circuit 9b van de boosterwarmtewisselaar 9 met zijn uitgang 9c is verbonden met een hulp- of boos- tercompressor 19 die, evenals de dampcompressor 7, met zijn hogedrukzijde 19b is verbonden met het hogedrukgedeelte 3b van het toevoergedeelte 3a-b van het circulatiekanaal 3. Opgemerkt wordt dat bijvoorbeeld de behuizingen van beide compressoren 7 en 19 desgewenst kunnen worden samengebouwd waardoor beide compressoren via hun behuizing ongeveer de- zelfde temperatuur zullen aannemen en beide dan ook gekoeld worden door middel van de instroom, via de lagedrukcompres- soringang 7a, van het relatief koude warmtetransportmiddel vanuit de uitgang 5b van de verdamper 5.

Figuur 3 toont een voorbeeld van een "stapjesdiagram" waar- in het temperatuursverloop 20 van de compressor 7 als func- tie van de tijd wordt weergeven voor een inrichting volgens de uitvinding met een substantiële warmtevraag. Verder wordt het bijbehorende temperatuursverloop 21 van het warm- tetransportmiddel (doorgaans water) in de cv-installatie 2 getoond.

Claims (3)

CONCLUSIES

1. Inrichting (1) die is bestemd en ingericht als warmte- pompsysteem, dienend als warmtebron voor bijvoorbeeld een cv- of andere installatie (2), omvattende een cir- culatiekanaal (3) waarvan een toevoerdeel (3a-b) is in- gericht voor het transporteren van een warmtetransport- middel in dampvorm, hierna damp genoemd, van de uitgang (5b) van een verdamper (5) naar de ingang (6a) van een condensor (6), via een dampcompressor (7) die is inge- richt om via een lagedrukingang (7a) de van de verdam- per afkomstige damp via een lagedrukgedeelte (3a) van het toevoerdeel van het circulatiekanaal te comprimeren van een lage naar een hoge druk en de onder hoge druk gebrachte damp via een hogedrukgedeelte (3b) van het toevoerdeel van het circulatiekanaal aan de condensor af te geven, van welk circulatiekanaal (3) een terug- voerdeel (3c-d) is ingericht voor het transporteren van het warmtemiddel van de uitgang (6b) van de condensor naar de ingang (5a) van de verdamper via een expansie- orgaan (8) dat is ingericht om de druk van het van de uitgang van de condensor afkomstige warmtetransportmid- del te verlagen, waarbij in het terugvoerdeel van het circulatiekanaal een primair circuit (9a) van een, een primair en een secundair circuit omvattende boosterwarmtewisselaar (9) is opgenomen waarvan het secundaire circuit (9b) is op- genomen in een boostercircuit (10) tussen enerzijds het terugvoerdeel ({3c-d) van het circulatiekanaal en een boosterdampingang (7c, 19a) van ofwel de hiervoor reeds genoemde dampcompressor (7) ofwel een andere dampcom- pressor (19) die met zijn hogedrukzijde (7b,19b) isverbonden met het hogedrukgedeelte (3b) van het toe- voergedeelte van het circulatiekanaal, waarbij voorts is voorzien in een besturingsorgaan (11), in een temperatuur- en/of druksensor (13,14) voor het meten van de temperatuur resp. druk (T,p) van resp. in de eerstgenoemde dampcompressor (7), en in een door het besturingsorgaan bestuurbaar regelventiel (12) dat is opgenomen in het boostercircuit, waarbij de temperatuur- en/of druksensor tijdens be- drijf de gemeten temperatuur resp. druk aan het bestu- ringsorgaan doorgeven, terwijl het besturingsorgaan zo is ingericht resp. geprogrammeerd dat, in een iteratief proces, de toevoer van damp via het boostercircuit (10) naar de boosterdampingang door middel van het regelven- tiel wordt gestaakt of verminderd zodra de temperatuur en/of de druk van resp. in de dampcompressor een uiter- ste grenswaarde voor de temperatuur- resp. drukwaarde van resp. in de dampcompressor bereikt, waarna het be- sturingsorgaan, na een door het besturingsorgaan be- paalde tijd t, door middel van het regelventiel de toe- voer van damp via het boostercircuit naar de booster- dampingang weer herstelt, waarna het iteratieve proces wordt herhaald zolang de warmtevraag van de inrichting dat vergt.

2. Inrichting volgens conclusie 1, waarbij de eerstgenoem- de dampcompressor (7) van het type spiraalcompressor of scroll compressor is, hierna spiraalcompressor genoemd, omvattende een lagedrukingang (7a), een hogedrukuitgang (7b) en een boosteraansluiting (7c), waarbij het secun- daire circuit van de boosterwarmtewisselaar met zijn uitgang is verbonden met de boosteraansluiting van de spiraalcompressor die met zijn hogedrukzijde is verbon-

den met het hogedrukgedeelte van het toevoergedeelte van het circulatiekanaal.

3. Inrichting volgens conclusie 1, waarbij de dampcompres- sor (7') van een type is zonder boosteraansluiting, waarbij het secundaire circuit van de boosterwarmtewis- selaar met zijn uitgang is verbonden met een huip- of boostercompressor (19) die met zijn hogedrukzijde (19b) is verbonden met het hogedrukgedeelte (3b) van het toe- voergedeelte van het circulatiekanaal.