DE19518977A1

DE19518977A1 - Heat pump with freeze-protection

Info

Publication number: DE19518977A1
Application number: DE1995118977
Authority: DE
Inventors: Wilfried Golueke; Michael Kruckenberg; Thomas Haas
Original assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Current assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Priority date: 1995-05-23
Filing date: 1995-05-23
Publication date: 1996-11-28

Abstract

A heat pump has an evaporator, a compressor, a liquefier and an expansion valve in a coolant circuit, whereby the evaporator extracts energy from the water fed to it and has a freezing protection circuit to switch off the compressor. A sensor (8) in this circuit measures the coolant temperature at the outlet of the evaporator and if this is below a lower limit, switches the compressor off. This limit is between +3 deg C and -3 degC. The sensor is fastened to the suction steam pipe of the evaporator. The sensor has a filling of a low boiling point expanding fluid like alcohol.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe mit einem Verdampfer, einem Verdichter, Verflüssiger und Expansionsorgan in einem Kältemittelkreislauf, wobei der Verdampfer Energie aus durch ihn geleitetem Wasser bezieht und eine Einfrierschutzschaltung zum Abschalten des Verdichters vorgesehen ist.The invention relates to a heat pump with an evaporator, a Compressor, condenser and expansion device in one Refrigerant cycle, the evaporator energy from through it draws water and a freeze protection circuit for Switching off the compressor is provided.

Bei Wasser/Wasser-Wärmepumpen wird die Energie von Grundwasser oder Oberflächenwasser oder Fließwasser genützt. Es können Betriebszustände auftreten, die ggf. zu einem Einfrieren des Wassers im Verdampfer führen. Durch das einfrierende Wasser würde der Verdampfer geschädigt.With water / water heat pumps, the energy from groundwater or surface water or running water. It can Operating conditions occur, which could lead to freezing of the water in the evaporator. The freezing water would cause the Evaporator damaged.

Um ein Einfrieren des Wassers zu vermeiden, ist in bekannter Weise eine Einfrierschutzschaltung zum Abschalten des Verdichters vorgesehen. Die bekannte Einfrierschutzschaltung erfaßt die Temperatur des im Verdampfer ausgekühlten Wassers. Dennoch können jedoch Fälle auftreten, in denen das Wasser im Verdampfer einfriert.In order to avoid freezing of the water, it is in a known manner a freeze protection circuit to switch off the compressor intended. The known freeze protection circuit detects the Temperature of the water cooled in the evaporator. Still can however, cases arise in which the water freezes in the evaporator.

Die Temperatur des in den Verdampfer zur Energienutzung geleiteten Brunnen- oder Oberflächenwassers ist nicht über die Nutzungszeit konstant. Dadurch ergeben sich auch in Abhängigkeit von den gewünschten Vorlauftemperaturen und somit den verschiedenen Kondensationstemperaturen des Kältemittels unterschiedliche Kälteleistungen und dadurch unterschiedliche Temperaturen des ausgekühlten Wassers. Durch Verschmutzung oder ähnliche Störungen eines Saugbrunnensiebes oder Saugbrunnenfilters wird der Volumenstrom des von einer Brunnenpumpe dem Verdampfer zugeleiteten Wassers reduziert. Dadurch ändern sich die Betriebspunkte der Wärmepumpe bezüglich der Kälteleistung und des Auskühlens des Wassers während der Nutzungszeit. Es kann dabei zu einem Einfrieren kommen.The temperature of the energy fed into the evaporator Well or surface water is not beyond usage time constant. This also results in dependence on the desired flow temperatures and thus the different Condensing temperatures of the refrigerant differ Cooling capacities and therefore different temperatures of the chilled water. Due to pollution or similar faults of a suction well screen or suction well filter Volume flow of the evaporator from a well pump supplied water reduced. This changes the operating points the heat pump regarding the cooling capacity and the cooling of the Water during use. This can lead to freezing come.

Ein Ausfall der Brunnenpumpe wird durch die übliche Einfrierschutzschaltung erst spät, nämlich erst dann erkannt, wenn das Wasser im Verdampfer stark abgekühlt ist, wobei auch in diesem Fall die Gefahr besteht, daß das Wasser im Verdampfer einfriert und dieser geschädigt wird.A failure of the well pump is normal Freeze protection circuit only late, namely only recognized when that Water in the evaporator has cooled down considerably, even in this case there is a risk that the water freezes in the evaporator and this is damaged.

In der DE 35 24 446 02 ist eine Wärmepumpe beschrieben, an deren Verdampfer ein Fühler angeordnet ist, der den Bereifungszustand des Verdampfers erfaßt. Bei Bereifung wird der Verdampfer abgetaut.DE 35 24 446 02 describes a heat pump, on the other Evaporator a sensor is arranged, the tire condition of the Evaporator detected. If the tires are frosted, the evaporator is defrosted.

In der DE 36 09 304 A1 ist ein Verfahren zum Steuern des Abtauens eines Verdampfers beschrieben. Es wird die Temperatur des abströmenden Kältemittels erfaßt. Der Abtauvorgang soll erst dann eingeleitet werden, wenn die Vereisung eine gewisse Zeit besteht. Als Einfrierschutz eignen sich diese Maßnahmen nicht, denn bei Wärmepumpen der eingangs genannten Art muß die Einfrierschutzschaltung ansprechen, bevor es zu einer Vereisung kommt, wogegen bei Abtauverfahren eine bezogen auf die Betriebsdauer kurze Vereisung des Verdampfers in Kauf genommen ist.DE 36 09 304 A1 describes a method for controlling defrosting described an evaporator. It will be the temperature of the outflowing refrigerant detected. Only then should the defrost process be initiated if the icing persists for a certain time. As These measures are not suitable for freeze protection, because at Heat pumps of the type mentioned must Address freeze protection circuit before it freezes comes, whereas in the case of defrosting processes one is based on Operating period short icing of the evaporator is accepted.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wärmepumpe der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß die Wärmepumpe abschaltet, wenn die Gefahr des Einfrierens des Wassers besteht, weil das Wasser zu kalt und/oder der Wasser-Volumenstrom zu klein ist.The object of the invention is to provide a heat pump to improve the type mentioned so that the heat pump switches off, if there is a risk of freezing the water because of the water is too cold and / or the water volume flow is too small.

Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe bei einer Wärmepumpe der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß ein Temperaturfühler der Einfrierschutzschaltung die Temperatur des Kältemittels am Ausgang des Verdampfers mißt und die Einfrierschutzschaltung den Verdichter bei Unterschreiten eines unteren Temperaturgrenzwertes des Kältemittels abschaltet. Dadurch ist mit einfachen Mitteln, insbesondere mit nur einem Fühler, erreicht, daß der Verdichter unabhängig vom Grund der Einfriergefahr abgeschaltet wird. Er schaltet sowohl dann ab, wenn das ankommende oder abfließende Brunnenwasser zu kühl ist, also auch dann, wenn der Volumenstrom des Brunnenwassers zu klein bzw. wegen Pumpenausfalls gleich Null ist. Dies liegt darin begründet, daß das Wasser zu wenig Energie liefert bzw. ihm soviel Energie entzogen wird, daß es einfrieren könnte, weil die Temperatur des Kältemittels am Ausgang des Verdampfers schnell auf einen unteren Grenzwert sinkt. Der untere Grenzwert (Abschalttemperatur) ist so gewählt, daß das Wasser im Verdampfer gerade noch nicht einfriert.According to the invention, the above task is for a heat pump solved type in that a temperature sensor of Freeze protection circuit the temperature of the refrigerant at the outlet of the evaporator and the anti-freeze circuit measures the compressor if the temperature falls below a lower limit Refrigerant switches off. As a result, with simple means, in particular with only one sensor, achieved that the compressor regardless of the reason of the risk of freezing is switched off. It switches off both when the incoming or draining well water is too cool, even if the Volume flow of the well water too small or because of Pump failure is zero. This is because the Water does not provide enough energy or so much energy is withdrawn from it, that it could freeze because the temperature of the refrigerant on Evaporator output quickly drops to a lower limit. The lower limit (switch-off temperature) is selected so that the Water in the evaporator is just not freezing.

Vorzugsweise ist die Abschalttemperatur zwischen -3°C und +3°C eingestellt.The switch-off temperature is preferably between -3 ° C and + 3 ° C set.

Um zu erreichen, daß die Einfrierschutzschaltung schnell auf den Temperaturfühler reagiert, ist der Temperaturfühler wärmeleitend mit dem Saugdampfrohr des Verdampfers verbunden.To ensure that the freeze protection circuit quickly on the Temperature sensor reacts, the temperature sensor is thermally conductive with connected to the evaporator's suction steam pipe.

Um die Reaktionszeit weiter zu verkürzen, enthält der Temperaturfühler eine Füllung aus einem niedrig siedenden Medium, wie beispielsweise Kältemittel oder Alkohol. Der Temperaturfühler kann als Füllung auch ein Dehnstofffluid enthalten.In order to further shorten the response time, the temperature sensor contains a filling from a low-boiling medium, such as Refrigerant or alcohol. The temperature sensor can also be used as a filling contain an expansion fluid.

Ein Ausführungsbeispiel ergibt sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. Die Figur zeigt eine Wärmepumpe schematisch.An embodiment follows from the following Drawing description. The figure shows a heat pump schematically.

Eine Wärmepumpe weist in einem Kältemittelkreislauf einen Verdampfer (1), einen Verdichter (2), einen Verflüssiger (3) und ein Expansionsorgan (4) auf. An den Verdampfer (1) ist eine Wasserleitung (5) angeschlossen, durch die mittels einer nicht näher dargestellten Pumpe Wasser aus einem Brunnen oder einer anderen Wasser-Energiequelle gefördert wird. Das Wasser gibt im Verdampfer (1) Wärme an das Kältemittel ab und wird dann über eine Wasserleitung (6), beispielsweise in einen Schluckbrunnen abgeleitet.A heat pump has an evaporator ( 1 ), a compressor ( 2 ), a condenser ( 3 ) and an expansion element ( 4 ) in a refrigerant circuit. A water pipe ( 5 ) is connected to the evaporator ( 1 ), through which water is conveyed from a well or another water energy source by means of a pump (not shown). The water gives off heat to the refrigerant in the evaporator ( 1 ) and is then discharged via a water pipe ( 6 ), for example into a swallow well.

Der Verdampfer (1) ist beispielsweise so aufgebaut, daß er aus einem Behälter mit Umlenkblechen besteht, durch den das Wasser labyrinthartig geführt wird. In dem Behälter ist eine mehrlagige Rohrwendel angeordnet, welche vom Kältemittel durchströmt ist. Der Verdampfer (1) weist an seinem Kältemittelausgang ein Saugdampfrohr (7) auf. Mit diesem steht ein Temperaturfühler (8) in wärmeleitender Verbindung. Dieser ist Teil der Einfrierschutzschaltung, welche ein Steuerorgan (9) mit einem Schaltkontakt (10) aufweist. Der Schaltkontakt (10) liegt in Reihe zu einer Relaiswicklung (11), durch die ein dreiphasiger Netzschalter (12) des Verdichters (2) schaltbar ist. In Reihe zum Schaltkontakt (10) liegen außerdem Schaltkontakte (13, 14) eines Hochdruck- bzw. Niederdruckwächters des Kältemittelkreises.The evaporator ( 1 ) is constructed, for example, so that it consists of a container with baffles through which the water is guided like a labyrinth. A multi-layer tube coil is arranged in the container, through which the refrigerant flows. The evaporator ( 1 ) has a suction steam pipe ( 7 ) at its refrigerant outlet. A temperature sensor ( 8 ) is in heat-conducting connection with this. This is part of the anti-freeze circuit, which has a control element ( 9 ) with a switch contact ( 10 ). The switching contact ( 10 ) is in series with a relay winding ( 11 ), through which a three-phase mains switch ( 12 ) of the compressor ( 2 ) can be switched. In series with the switch contact ( 10 ) there are also switch contacts ( 13 , 14 ) of a high-pressure or low-pressure switch of the refrigerant circuit.

Das Expansionsorgan (4) ist mittels eines weiteren Temperaturfühlers (15) steuerbar, welches ebenfalls an dem Saugdampfrohr (7) angeordnet ist. An den Verflüssiger (3) sind eine Vorlaufleitung (16) und eine Rücklaufleitung (17) eines Nutzwasser- Kreislaufes angeschlossen.The expansion element ( 4 ) can be controlled by means of a further temperature sensor ( 15 ), which is also arranged on the suction steam pipe ( 7 ). A flow line ( 16 ) and a return line ( 17 ) of a process water circuit are connected to the condenser ( 3 ).

Die Wirkungsweise der beschriebenen Wärmepumpe ist, soweit im Zusammenhang mit dem Einfrierschutz beachtlich, etwa folgende:The operation of the heat pump described is, as far as in Considerable connection with freeze protection, for example the following:

Bei normalen Betriebszuständen des durch den Verdampfer (1) hindurch geförderten Wassers liegt die Temperatur am Temperaturfühler (8) immer oberhalb der Abschalttemperatur, die am Steuerorgan (9) zwischen -3°C und +3°C eingestellt ist. Der Schaltkontakt (10) steht also so, daß der Netzschalter (12) geschlossen ist und der Verdichter (2) arbeitet.In normal operating conditions of the water conveyed through the evaporator ( 1 ), the temperature at the temperature sensor ( 8 ) is always above the switch-off temperature, which is set on the control element ( 9 ) between -3 ° C and + 3 ° C. The switch contact ( 10 ) is so that the power switch ( 12 ) is closed and the compressor ( 2 ) is working.

Wird aufgrund besonderer Betriebsereignisse die Temperatur des durch die Wasserleitung (5) zufließenden oder durch die Wasserleitung (6) abfließenden Wassers und/oder der Volumenstrom des Wassers gegenüber den Normalbedingungen zu klein, so daß beim weiteren Betrieb des Kältemittelkreislaufes an sich die Gefahr besteht, daß das Wasser im Verdampfer (1) einfriert, dann erniedrigt sich auch die Temperatur des den Verdampfer (1) durch das Saugdampfrohr (7) verlassenden Kältemittels bis zu der Abschalttemperatur. Bei Erreichen der Abschalttemperatur schaltet das Steuerorgan (9) den Schaltkontakt (10), so daß der Netzschalter (12) den Verdichter (2) abschaltet. Der Kältemittelkreislauf ist also unterbrochen, so daß im Verdampfer (1) dem Wasser nicht weiter Wärme entzogen wird und dieses also auch nicht einfrieren kann.If, due to special operating events, the temperature of the water flowing in through the water pipe ( 5 ) or flowing out through the water pipe ( 6 ) and / or the volume flow of the water is too low compared to the normal conditions, so that there is a risk that the refrigerant circuit will continue to operate the water in the evaporator ( 1 ) freezes, then the temperature of the refrigerant leaving the evaporator ( 1 ) through the suction steam pipe ( 7 ) also drops to the switch-off temperature. When the switch-off temperature is reached, the control member ( 9 ) switches the switch contact ( 10 ) so that the mains switch ( 12 ) switches off the compressor ( 2 ). The refrigerant circuit is therefore interrupted so that heat is no longer removed from the water in the evaporator ( 1 ) and therefore cannot freeze.

Nach Wegfall der ungünstigen Betriebsbedingungen wird der Verdichter (2) selbsttätig wieder eingeschaltet.After the unfavorable operating conditions cease, the compressor ( 2 ) is automatically switched on again.

Claims

1. heat pump with an evaporator, compressor, condenser and expansion element in a refrigerant circuit, the evaporator drawing energy from water passed through it and a freeze protection circuit being provided for switching off the compressor, characterized in that a temperature sensor ( 8 ) of the freeze protection circuit ( 9 , 10 ) the temperature of the refrigerant at the outlet ( 7 ) of the evaporator ( 1 ) is detected and the anti-freeze circuit ( 9 , 10 ) switches off the compressor when the temperature of the refrigerant falls below a lower limit.

2. Heat pump according to claim 1, characterized, that the switch-off temperature is between -3 ° C and + 3 ° C is set.

3. Heat pump according to claim 1 or 2, characterized in that the temperature sensor ( 8 ) is thermally conductively attached to the suction steam pipe ( 7 ) of the evaporator ( 1 ).

4. Heat pump according to one of the preceding claims, characterized in that the temperature sensor ( 8 ) contains a filling made of a low-boiling medium, such as refrigerant or alcohol.

5. Heat pump according to one of the preceding claims 1 to 3, characterized in that the temperature sensor ( 8 ) has a filling made of an expansion fluid.