AT508435A1

AT508435A1 - HEAT PUMP

Info

Publication number: AT508435A1
Application number: AT9772009A
Authority: AT
Original assignee: Ochsner Karl
Priority date: 2009-06-25
Filing date: 2009-06-25
Publication date: 2011-01-15
Also published as: EP2267380A3; EP2267380A2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmepumpe mit einem Kältemittelkreis, der einen Verdichter, einen Erdkollektor und einen Wärmetauscher zwischen dem Kältemittel und einem Wärmeträger sowie eine Umschalteinrichtung zwischen einem Heiz- und einem Kühlbetrieb des Kältemittelkreises umfasst, der in Abhängigkeit vom Heiz- oder Kühlbetrieb für die Beaufschlagung des Erdkollektors oder des Wärmetauschers zwischen Kältemittel und Wärmeträger mit dem zu verdampfenden Kältemittel gesonderte Beaufschlagungsleitungen mit je einem Expansionsventil aufweist.The invention relates to a heat pump having a refrigerant circuit comprising a compressor, a ground collector and a heat exchanger between the refrigerant and a heat transfer medium as well as a switching means between a heating and a cooling operation of the refrigerant circuit, the function of the heating or cooling operation for the Beaufschlagung the ground collector or the heat exchanger between the refrigerant and the heat carrier with the refrigerant to be evaporated separate admission lines each having an expansion valve.

Um vorteilhafte Betriebsbedingungen sowohl für den Heiz- als auch für den Kühlbetrieb sicherzustellen, ist es bei einer Wärmepumpe mit einem Wärmetauscher zwischen einem Kältemittel und einem Wärmeträger, üblicherweise Wasser, und einem Wärmetauscher zwischen dem Kältemittel und vorzugsweise Luft bekannt (DE 10 2005 061 480 B3), diesen Wärmetauschern für ihren vom Heiz- bzw. Kühlbetrieb abhängigen Einsatz als Kondensator oder Verdampfer gesonderte Beaufschlagungsleitungen mit je einem Expansionsventil für den Verdampfereinsatz zuzuordnen, sodass die sich bei der Umstellung zwischen Heiz- und Kühlbetrieb ändernden Bedingungen hinsichtlich der Kältemittelverdampfung durch angepasste Expansionsventile berücksichtigt werden können. Durch eine Umschalteinrichtung für den Heiz- und Kühlbetrieb wird im Zusammenhang mit entsprechend angeordneten Rückschlagventilen im Kältemittelkreis dafür gesorgt, dass im Heizbetrieb das dem Wärmetauscher zwischen Kältemittel und Wärmeträger zugehörige Expansionsventil und im Kühlbetrieb das dem Wärmetauscher zwischen Kältemittel und Luft zugehörige Expansionsventil aus dem Kältemittelkreis genommen wird. Zur Optimierung der Wärmepumpe ist ein innerer Wärmetauscher vorgesehen, der für eine Unterkühlung des kondensierten Kältemittels und eine Überhitzung des verdampften, • t ···· ···· · • · · · «·# · ··· · · ······ · · ···· • ·· · · · · · · * .......-2-* ' vom Verdichter angesaugten Kältemittels sorgt. Nachteilig bei dieser bekannten Ausführungsform der Wärmepumpen ist, dass insbesondere beim Umschalten vom Heiz- auf den Kühlbetrieb über das Expansionsventil, das im Kühlbetrieb dem als Verdampfer wirksamen Wärmetauscher vorgeschaltet ist, diesem Wärmetauscher nicht ausreichend Kältemittel geliefert werden kann, um einen vorteilhaften Kühlbetrieb zu sichern, der ja einen entsprechenden Massestrom des Kältemittels durch den Wärmetauscher erfordert.In order to ensure advantageous operating conditions for both the heating and for the cooling operation, it is in a heat pump with a heat exchanger between a refrigerant and a heat transfer medium, usually water, and a heat exchanger between the refrigerant and preferably air known (DE 10 2005 061 480 B3 ), these heat exchangers for their dependent of the heating or cooling operation use as a condenser or evaporator separate admission lines each with an expansion valve for the evaporator use, so that the changing in the transition between heating and cooling conditions changing conditions with regard to the refrigerant evaporation are taken into account by adapted expansion valves can. By a switching device for the heating and cooling operation is provided in connection with appropriately arranged check valves in the refrigerant circuit that in the heating mode the heat exchanger between the refrigerant and heat transfer associated expansion valve and cooling the heat exchanger between the refrigerant and air associated expansion valve is taken from the refrigerant circuit , In order to optimize the heat pump, an internal heat exchanger is provided, which is used for subcooling the condensed refrigerant and overheating the vaporized, • t ··························································································. . A disadvantage of this known embodiment of heat pump, that in particular when switching from heating to cooling mode via the expansion valve which is connected upstream of the effective as an evaporator heat exchanger in the cooling mode, this heat exchanger, refrigerant can be supplied not sufficient to secure a favorable cooling operation, yes yes requires a corresponding mass flow of the refrigerant through the heat exchanger.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Wärmepumpe der eingangs geschilderten Art so auszugestalten, dass auch beim Umschalten vom Heiz- auf den Kühlbetrieb eine hohe Kühlleistung sichergestellt werden kann.The invention is therefore the object of a heat pump of the type described in such a way that even when switching from heating to the cooling operation, a high cooling capacity can be ensured.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass für das Expansionsventil in der Beaufschlagungsleitung des Wärmetauschers zwischen Kältemittel und Wärme-träger eine Umgehungsleitung mit einer Drosselwirkung vorgesehen ist.The invention solves the stated object in that a bypass line is provided with a throttle effect for the expansion valve in the supply line of the heat exchanger between the refrigerant and the heat carrier.

Aufgrund der Umgehungsleitung des Expansionsventils in der Beaufschlagungsleitung für den Wärmetauscher zwischen Kältemittel und Wärmeträger gelangt zusätzlich Kältemittel über die Umgehungsleitung zum im Kühlbetrieb als Verdampfer wirksamen Wärmetauscher, sodass trotz des im Kühlbetrieb größeren Massestrombedarfs ein ausreichender Massestrom des Kältemittels für die effektive Kühlung des Wärmeträgers zur Verfügung gestellt werden kann. Die Umgehungsleitung muss allerdings eine Drosselwirkung aufweisen, um die Entspannung des Kältemittels vor dem Verdampfer nicht zu gefährden. Bei einer entsprechenden Abstimmung der Drosselwirkung der Umgehungsleitung und des parallel geschalteten Expansionsventils können somit vorteilhafte Bedingungen für den Kühlbetrieb auch unmittelbar nach dem Umschalten des Kältemittelkreises auf einen Kühlbetrieb sichergestellt werden.Due to the bypass line of the expansion valve in the supply line for the heat exchanger between the refrigerant and the heat transfer medium additionally passes refrigerant via the bypass line to effective cooling mode evaporator heat exchanger, so despite the greater mass flow in cooling mode, a sufficient mass flow of the refrigerant provided for the effective cooling of the heat carrier can be. However, the bypass line must have a throttle effect, so as not to jeopardize the expansion of the refrigerant before the evaporator. With a corresponding vote of the throttle effect of the bypass line and the parallel expansion valve thus advantageous conditions for the cooling operation can be ensured even after switching the refrigerant circuit to a cooling operation.

Wird die Wärmepumpe vom Kühlbetrieb auf den Heizbetrieb umgestellt, so ergibt sich auch für den dann als Verdampfer wirksamen Erdkollektor das Problem, dass zunächst der Massestrom des Kältemittels durch den Erdkollektor durch das Ex- »··· ···· • · ···· • ··· ··- 3*-* pansionsventil in der Beaufschlagungsleitung des Erdkollektors beschränkt wird. Obwohl für den Heizbetrieb ein geringerer Massestrom erforderlich ist, empfiehlt es sich, auch das dem als Verdampfer eingesetzten Erdkollektor vorgeschaltete Expansionsventil mit einer eine Drosselwirkung aufweisenden Umgehungsleitung zu versehen, um vorteilhafte Druckverhältnisse während des Umschaltens aufrecht erhalten zu können. Während des Heiz- und Kühlbetriebs ergeben sich für das jeweils zum Einsatz kommende Expansionsventil vorteilhafte Betriebsbedingungen, wenn es in Abhängigkeit von der Temperatur des vom Verdichter angesaugten Kältemittels gesteuert wird. Steigt die Temperatur des vom Verdichter angesaugten Kältemittels beispielsweise durch einen geringeren Wärme- bzw. Kühlbedarf des Verbrauchers an, so wird das jeweils im Einsatz befindliche Expansionsventil weiter geöffnet, was eine Temperaturregelung des vom Verdichter angesaugten Kältemittels und damit eine selbstständige Anpassung der Wärmepumpe an unterschiedliche Anforderungen des Verbrauchers an zu- bzw. abzuführender Wärme zur Folge hat. Die von der Sauggastemperatur abhängige Steuerung der Expansionsventile vermindert außerdem die Gefahr, dass der Verdichter nass gefahren wird, weil bei einer damit einhergehenden Temperaturabsenkung des angesaugten Kältemittels das jeweilige Expansionsventil im Schließsinn beaufschlagt und eine geringere Menge an Kältemittel in den Verdampfer eingespritzt wird.If the heat pump is switched over from the cooling mode to the heating mode, the result also for the earth collector, which then acts as an evaporator, is that first the mass flow of the refrigerant through the ground collector is limited by the ex- »··· ···· ····· · ······ - 3 * - * expansion valve in the supply line of the ground collector. Although a lower mass flow is required for the heating operation, it is recommended to provide the expansion valve upstream of the earth collector used as an evaporator with a bypass line having a throttling effect in order to be able to maintain advantageous pressure conditions during the switching. During the heating and cooling operation, advantageous operating conditions result for the respectively used expansion valve when it is controlled as a function of the temperature of the refrigerant sucked in by the compressor. If the temperature of the refrigerant sucked in by the compressor increases, for example due to a lower heat or cooling requirement of the consumer, the respective expansion valve in use is opened further, resulting in a temperature control of the refrigerant sucked in by the compressor and thus an independent adaptation of the heat pump to different requirements the consumer has to be supplied or dissipated heat heat. The dependent of the suction gas temperature control of the expansion valves also reduces the risk that the compressor is driven wet because at a concomitant decrease in temperature of the sucked refrigerant the respective expansion valve is acted upon in the closing direction and a smaller amount of refrigerant is injected into the evaporator.

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigenIn the drawing, the subject invention is shown, for example. Show it

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Wärmepumpe in einem schematischen Blockschaltbild im Heizbetrieb und Fig. 2 diese Wärmepumpe im Kühlbetrieb.Fig. 1 shows a heat pump according to the invention in a schematic block diagram in heating mode and Fig. 2, this heat pump in cooling mode.

Der Kältemittelkreis der dargestellten Wärmepumpe umfasst einen Verdichter 1, einen an den Verdichter 1 über eine Umschalteinrichtung 2 angeschlossenen Wärmetauscher 3 zwischen dem Kältemittel und einem Wärmeträger sowie einen Erdkollektor 4, der mit dem Kältemittel unmittelbar beaufschlagt wird. Um den Wir- ·· · • ··· • · · • · · t ··· ···· • φ • φφφ • · • · ··_ 4*.· • · • ·· · kungsgrad zu steigern, ist ein innerer Wärmetauscher 5 vorgesehen, mit dessen Hilfe einerseits das verdampfte, vom Verdichter 1 angesaugte Kältemittel überhitzt und zugleich das kondensierte Kältemittel unterkühlt wird. Dieser innere Wärmetauscher 5 kann außerdem vorteilhaft in Verbindung mit einem Flüssigkeitsabscheider und einem Kältemittelsammler eingesetzt werden.The refrigerant circuit of the illustrated heat pump comprises a compressor 1, a heat exchanger 3 connected to the compressor 1 via a switching device 2 between the refrigerant and a heat carrier and a ground collector 4, which is acted upon directly by the refrigerant. In order to increase the efficiency of the process, it is necessary to increase the degree of efficiency. an internal heat exchanger 5 is provided, with the help of which on the one hand overheated the vaporized, sucked by the compressor 1 refrigerant and at the same time the condensed refrigerant is subcooled. This inner heat exchanger 5 can also be advantageously used in conjunction with a liquid separator and a refrigerant collector.

Um die für den Heiz- und den Kühlbetrieb unterschiedlichen Masseströme des Kältemittels zu berücksichtigen, werden für den Heiz- und Kühlbetrieb gesonderte Expansionsventile 6, 7 eingesetzt, wobei die diese Expansionsventile 6, 7 enthaltenden Beaufschlagungsleitungen 8, 9 in den Kältemittelkreis eingebunden werden, wenn der nachgeschaltete Wärmetauscher 3 bzw. Erdkollektor 4 als Verdampfer wirken. In der Fig. 1 ist die Schaltstellung der Umschalteinrichtung 2 für den Heizbetrieb dargestellt. Das im Verdichter 1 verdichtete und erwärmte Kältemittel wird über die als Mehrwegeventil ausgebildete Umschalteinrichtung 2 zur Erwärmung des Wärmeträgers, üblicherweise Wasser, dem Wärmetauscher 3 zugeführt, der vorteilhaft durch einen im Gegenstrom betriebenen Plattenwärmetauscher verkörpert wird. Das durch die Erwärmung des Wärmeträgers beispielsweise für eine Heizung abgekühlte und kondensierte Kältemittel wird über eine Leitung 10 dem inneren Wärmetauscher 5 zugeleitet und strömt entsprechend unterkühlt über die Leitung 11 zur Beaufschlagungsleitung 9 für den als Verdampfer wirksamen Erdkollektor 4. Die Entspannung des kondensierten Kältemittels erfolgt mittels des Expansionsventils 7. Das im Erdkollektor 4 unter Wärmeaufnahme verdampfte Kältemittel wird dann über die Umschalteinrichtung 2 zum inneren Wärmetauscher 5 geführt, dort überhitzt und vom Verdichter 1 angesaugt. Um die Verdampfung des Kältemittels im Erdkollektor 4 in Abhängigkeit vom Wärmebedarf des an den Wärmetauscher 3 angeschlossenen Verbrauchers zu steuern, kann das Expansionsventil 7 in Abhängigkeit von der Kältemitteltemperatur des vom Verdichter 1 angesaugten Kältemittels angesteuert werden. Hiefür ist ein entsprechender Temperaturfühler 12 angedeutet.In order to take into account different for the heating and the cooling operation mass flows of the refrigerant, separate expansion valves 6, 7 are used for the heating and cooling operation, wherein these expansion valves 6, 7 containing Beaufschlagungsleitungen 8, 9 are incorporated in the refrigerant circuit when the Downstream heat exchanger 3 or Erdkollektor 4 act as an evaporator. In Fig. 1, the switching position of the switching device 2 is shown for the heating operation. The compressed and heated in the compressor 1 refrigerant is supplied via the designed as a multi-way valve switching device 2 for heating the heat carrier, usually water, the heat exchanger 3, which is advantageously embodied by a counter-current operated plate heat exchanger. The cooled by the heating of the heat carrier, for example, for a heating and condensed refrigerant is fed via a line 10 to the inner heat exchanger 5 and flows undercooled accordingly via the line 11 to the admission line 9 for the effective as an evaporator ground collector 4. The relaxation of the condensed refrigerant takes place by means of of the expansion valve 7. The evaporated in the earth collector 4 with heat absorption refrigerant is then fed via the switching device 2 to the inner heat exchanger 5, superheated there and sucked from the compressor 1. In order to control the evaporation of the refrigerant in the ground collector 4 as a function of the heat demand of the consumer connected to the heat exchanger 3, the expansion valve 7 can be controlled in dependence on the refrigerant temperature of the refrigerant drawn in by the compressor 1. For this purpose, a corresponding temperature sensor 12 is indicated.

Im Kühlbetrieb, der in der Fig. 2 dargestellt ist, wird der Wärmetauscher 3 zwischen Kältemittel und Wärmeträger zum Verdampfer, während der Erdkollektor 4 als Kondensator wirksam wird. Dementsprechend wird das im Verdichter 1 verdichtete 0000 ···· · 9Φ 0 0 ··· · ·· ·· ·· » · · · · » · · · ·♦· 9 0 · # · 5*- » · · · · · ♦ ·· ·· ·· Kältemittel über die Umschalteinrichtung 2 dem Erdkollektor 4 zugeführt, wobei das im Erdkollektor 4 kondensierte Kältemittel über eine den Erdkollektor 4 mit der Leitung 10 verbindende Leitung 13 den inneren Wärmetauscher 5 beaufschlagt, um unterkühlt über die Leitung 11 in die Beaufschlagungsleitung 8 für den Wärmetauscher 3 zu strömen. Die Kältemittelströmung durch die einzelnen Zweige des Kältemittelkreises werden in Abhängigkeit vom Heiz- bzw. Kühlbetrieb über Schaltventile 14 in den Beaufschlagungsleitungen 8, 9 sowie über Rückschlagventile 15 gesteuert. Über das in der Beaufschlagungsleitung 8 angeordnete Expansionsventil 6 wird das Kältemittel entspannt und im Wärmetauscher 3 verdampft, bevor es wieder über die Umschalteinrichtung 2 im inneren Wärmetauscher 5 überhitzt und vom Verdichter 1 angesaugt wird. Die Steuerung des Expansionsventils 6 erfolgt ähnlich der des Expansionsventils 7 in Abhängigkeit von der Sauggastemperatur über einen entsprechenden Fühler 16. Da sich im Vergleich zum Heizbetrieb beim Kühlbetrieb die Strömungsrichtung des Kältemittels umkehrt, ist für den Wärmetauscher 3 auf der Verbraucherseite eine Schalteinrichtung 17 zur Umkehr der Durchströmrichtung des Wärmeträgers durch den Wärmetauscher 3 vorzusehen, damit dieser Wärmetauscher 3 auch im Kühlbetrieb im Gegenstrom gefahren werden kann.In the cooling operation, which is shown in FIG. 2, the heat exchanger 3 between the refrigerant and the heat transfer medium to the evaporator, while the earth collector 4 is effective as a capacitor. Accordingly, the compressed in the compressor 1 0000 ···· · 9Φ 0 0 ··· ··· ··················································································. supplied · ♦ ·· ·· ·· refrigerant via the switching device 2 to the ground collector 4, wherein the condensed in the ground collector 4 refrigerant the internal heat exchanger 5 acts via a the ground collector 4 connecting to the line 10 line 13 to subcooled via line 11 to flow into the admission line 8 for the heat exchanger 3. The flow of refrigerant through the individual branches of the refrigerant circuit are controlled as a function of the heating or cooling operation via switching valves 14 in the admission lines 8, 9 and via check valves 15. About the disposed in the admission line 8 expansion valve 6, the refrigerant is expanded and evaporated in the heat exchanger 3, before it is overheated again via the switching device 2 in the inner heat exchanger 5 and sucked by the compressor 1. The control of the expansion valve 6 is similar to that of the expansion valve 7 as a function of the suction gas temperature via a corresponding sensor 16. Since the flow direction of the refrigerant is reversed compared to the heating operation in cooling mode, a switching device 17 for reversing the heat exchanger 3 on the consumer side Provide flow direction of the heat carrier through the heat exchanger 3, so that this heat exchanger 3 can be driven in cooling mode in countercurrent.

Beim Umschalten der Wärmepumpe vom Heiz- auf den Kühlbetrieb fällt der Kältemitteldruck im Bereich des Wärmetauschers 3 stark ab, weil er von der Hochdruckseite auf die Niederdruckseite des Verdichters 1 umgeschaltet wird. Das Expansionsventil 6 drosselt den Kältemittelstrom durch den Wärmetauscher 3, sodass ohne zusätzliche Maßnahme kein ausreichender Massestrom des Kältemittels durch den Wärmetauscher 3 erreicht wird. Aus diesem Grunde ist in der Beaufschlagungsleitung 8 eine Umgehungsleitung 18 für das Expansionsventil 6 vorgesehen, über die beim Umschalten vom Heiz- auf den Kühlbetrieb ein entsprechender Massestrom des Kältemittels durch den Wärmetauscher 3 erreicht wird. Die Umgehung des Expansionsventils 6 muss allerdings beschränkt bleiben, um die Entspannung des Kältemittels nicht zu gefährden. Die Umgehungsleitung 18 muss daher im Sinne einer Drossel ausgelegt sein.When switching the heat pump from heating to the cooling mode, the refrigerant pressure in the region of the heat exchanger 3 drops sharply because it is switched from the high pressure side to the low pressure side of the compressor 1. The expansion valve 6 throttles the refrigerant flow through the heat exchanger 3, so that no additional mass flow of the refrigerant through the heat exchanger 3 is achieved without additional measures. For this reason, a bypass line 18 for the expansion valve 6 is provided in the supply line 8, via which a corresponding mass flow of the refrigerant is achieved by the heat exchanger 3 when switching from heating to the cooling operation. The bypass of the expansion valve 6, however, must remain limited in order not to endanger the relaxation of the refrigerant. The bypass line 18 must therefore be designed in the sense of a throttle.

Auch beim Umschalten vom Kühlbetrieb auf den Heizbetrieb ergeben sich Schwierigkeiten hinsichtlich des Massestroms des Kältemittels durch den Erdkollektor 4, allerdings aufgrund des für den Heizbetrieb geforderten geringeren Massestroms gemildert. Um unmittelbar nach dem Umschalten auf den Heizbetrieb die Beschränkung des Massestroms durch das Expansionsventil 7 in der Beaufschlagungsleitung 9 des Erdkollektors 4 nicht in Kauf nehmen zu müssen, kann auch für das Expansionsventil 7 eine Umgehungsleitung 19 mit einer Drosselwirkung vorgesehen werden, wobei sich vergleichbare Betriebsbedingungen ergeben.Even when switching from the cooling mode to the heating operation, difficulties arise with respect to the mass flow of the refrigerant through the earth collector 4, but mitigated due to the lower mass flow required for the heating operation. In order not to have to accept the restriction of the mass flow through the expansion valve 7 in the admission line 9 of the earth collector 4 immediately after switching to the heating mode, a bypass line 19 can be provided with a throttle effect for the expansion valve 7, resulting in comparable operating conditions ,

Claims

Patent Attorneys Dipl.-Ing. Helmut Hübscher Dipl.-Ing. Karl Winfried Hellmich Dipl.-Ing. Friedrich Jell Spittelwiese 7, A 4020 Linz (36,504) II claims 1. A heat pump with a refrigerant circuit comprising a compressor, a ground collector and a heat exchanger between the refrigerant and a heat transfer medium and a switching device between a heating and a cooling operation of the refrigerant circuit, having in response to the heating or cooling operation for the application of the ground collector or the heat exchanger between refrigerant and heat transfer with the refrigerant to be evaporated separate admission lines, each with an expansion valve, characterized in that for the expansion valve (6) in the admission line (8) of the Heat exchanger (3) between the refrigerant and the heat transfer medium, a bypass line (18) is provided with a throttle effect.

2. A heat pump according to claim 1, characterized in that both for the expansion valve (6) in the impingement line (8) for the heat exchanger (3) between the refrigerant and heat transfer as well as for the expansion valve (7) in the impingement line (9) for the Ground collector (4) a bypass line (18, 19) is provided with a throttle effect.

3. A heat pump according to claim 1 or 2, characterized in that the expansion valves (6, 7) in the Beaufschlagungsleitungen (8, 9) for the heat exchanger (3) between the refrigerant and the heat transfer and for the earth collector (4) in function of temperature From the compressor (1) sucked refrigerant can be controlled. Linz, June 24, 2009 Dipl.-Ing. Karl Ochsner through