DE2728273A1 - IC engine drive for heat pump - has engine driven flow brake to compensate for compressor decrease - Google Patents
IC engine drive for heat pump - has engine driven flow brake to compensate for compressor decreaseInfo
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Abstract
Description
Verbrennungsmotorisch betriebene WärmepumpenanordnungCombustion engine operated heat pump arrangement
Die Erfindung betrifft eine verbrennungsmotorisch betriebene Wärmepumpenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Elauptanspruchs.The invention relates to a heat pump arrangement operated by an internal combustion engine according to the generic term of the claim.
Unter dem Begriff Abwärme des Motors? ist dabei sowohl die Wärme der Abgase als auch diejenige des Kühlwassers des Motors zu verstehen.Under the term waste heat from the engine? is both the warmth of the Understand exhaust gases as well as that of the cooling water of the engine.
Der Aufbau und die Wirkungsweise von verbrennungsmotorisch und elektromotorisch betriebenen Wärmepumpen für Heizzwecke sind bekannt. Es ist auch bekannt, daß bei Verwendung der Außen- oder Umgebungsluft die aus der Luft gewinnbaren bzw.The structure and mode of operation of the internal combustion engine and the electric motor operated heat pumps for heating purposes are known. It is also known that at Use of outside or ambient air that can or can be extracted from the air
nutzbaren Wärmemengen in hohem Maße von den Schwankungen der Lufttemperatur abhängig sind. Will man eine Wärmepumpenanordnung so auslegen, daß sie auch bei sehr tiefen Temperaturen der Außenluft, z. B. - 15 OC, noch den gesamten Wärmebedarf beispielsweise eines Hauses deckt, so muß die Anordnung überproportional groß ausgelegt werden. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die Wärmepumpenanordnung - wie jede andere Heizungsanlage - während der Heizperiode nur an wenigen Tagen - und dann auch meistens nur stundenweise - mit voller Leistung arbeitet.Usable amounts of heat depend to a large extent on fluctuations in air temperature are dependent. If you want to design a heat pump arrangement so that it also with very low outside air temperatures, e.g. B. - 15 OC, still the entire heat requirement For example, covers a house, the arrangement must be designed to be disproportionately large will. It should be noted that the heat pump arrangement - like any other Heating system - only a few days during the heating season - and then mostly only by the hour - works at full capacity.
Besonders ungünstig sind die Verhältnisse bei elektrisch betriebenen Wärmepumpenanordnungen, bei denen im Gegensatz zu verbrennungsmotorisch betriebenen Wärmepumpenanordnungen praktisch keine vom Antrieb erzeugte Abwärme zur Verfügung steht.The conditions are particularly unfavorable for electrically operated ones Heat pump arrangements in which, in contrast to internal combustion engine operated Heat pump arrangements practically no waste heat generated by the drive is available stands.
Es ist bekannt, den Wärmebedarf durch elektrisch betriebene Wärmeptimpenanordnungen nur bis zu I.ufttemperaturen nahe 0 OC in vollem Umfang über die Wärmepumpenanordnung abzudecken, dagegen bei tieferen Temperaturen die Anordnung abzuschalten und ein zweites Heizsystem, daß über einen öl- oder Gasbrenner betrieben wird, einzuschalten (bivalente Heizsysteme).It is known to reduce the heat demand by means of electrically operated heat pulse arrangements only up to air temperatures close to 0 OC in full via the heat pump arrangement to cover, on the other hand, switch off the arrangement at lower temperatures and turn on a second heating system that is operated via an oil or gas burner (bivalent heating systems).
Günstiger liegen die diesbezüglichen Verhältnisse bei verbrennungsmotorisch betriebenen Wärmepumpenanordnungen, wie sie auch die Erfindung betrifft. Auch bei niedrigen Temperaturen der Außenluft, bei denen die Außenluft als Wärmequelle nur noch zu einem geringen Maße ausgenutzt werden kann, sind hier durch die Nutzung der Kühlwasser- und Abgaswärme noch erhebliche Heizwärmemengen verfügbar. Daher besteht bei verbrennungsmotorisch betriebenen Wärmepumpenanordnungen grundsätzlich die Möglichkeit, auch bei tiefen Temperaturen der Außenluft den Wärmebedarf beispielsweise eines Hauses noch durch die Anordnung zu decken.The conditions in this regard are more favorable for the internal combustion engine operated heat pump assemblies, as also relates to the invention. Also at low outside air temperatures where the outside air is used as a heat source only can still be exploited to a small extent, are here by using the cooling water and exhaust gas heat, considerable amounts of heating energy are still available. Therefore exists in the case of heat pump arrangements operated by internal combustion engines the possibility of reducing the heat demand even when the outside air is low, for example of a house can still be covered by the arrangement.
Allerdings steht dem bei bekannten verbrennungsmotorisch betriebenen Wärmepumpenanordnungen folgender Tatbestand entgegen: Die Leistungsaufnahme des Kompressors für das Kältemittel sinkt mit abnehmender Temperatur der Außenluft infolge Verringerung der volumetrischen Kälteleistung ab. - Die volumetrische Kälteleistung ist in bekannter Weise abhängig vom Dampfdruck und der Dichte, d. h. vom Massenstrom des geförderten Kältemittels. - In Figur 1, in der verschiedene Leistungen P in Abhängigkeit von der Temperatur T der Außenluft aufgetragen sind, ist dies durch die Kurve a für konstante Drehzahl wiedergegeben. Entsprechend sinkt verständlicherweise auch die Leistung des Verbrennungsmotors, da dieser ja nur durch den Kompressor belastet ist. Dies wiederum hat eine Verringerung der Abwärme des Motors und damit der über die Wärmetauscher der Heizflüssigkeit, in der Regel Wasser, zugeführten Wärmemenge zur Folge.However, the known internal combustion engine is available Heat pump arrangements contrary to the following facts: The power consumption of the Compressor for the refrigerant decreases as the temperature of the outside air decreases Reduction of the volumetric cooling capacity. - The volumetric cooling capacity depends in a known way on the vapor pressure and the density, i. H. from the mass flow of the pumped refrigerant. - In Figure 1, in which various services P in Depending on the temperature T of the outside air are plotted, this is due the curve a reproduced for constant speed. Understandably, it falls accordingly also the performance of the internal combustion engine, since this is only provided by the compressor is burdened. This in turn has a reduction in waste heat from the engine and thus the heating fluid, usually water, supplied via the heat exchanger Result in the amount of heat.
Das Ergebnis ist, daß die in der Wärmepumpenanordnung "erzeugte" IIeizleistung gemäß Kurve b in dem Diagramm nach Figur 1, die wiederum für konstante Drehzahl gilt, ebenfalls stark abnimmt. Das Verhalten der Wärmepumpenanordnung ist demgemäß entgegengesetzt dem Verlauf des Wärmebedarfs beispielsweise zum Heizen eines Gebäudes in Anhängigkeit von der Außenlufttemperatur T. Dieser Wärmebedarf ist in Figur 1 durch die Kurve c angegeben.The result is that the heating power "generated" in the heat pump arrangement according to curve b in the diagram of Figure 1, which in turn for constant speed applies, also decreases sharply. The behavior of the heat pump arrangement is accordingly contrary to the course of the heat demand, for example for heating a building as a function of the outside air temperature T. This heat requirement is shown in FIG. 1 indicated by curve c.
Im Hinblick auf die unterschiedlichen Tendenzen der Kurven b und c ist daher auch bei einer verbrennungsmotorisch angetriebenen Wärmepumpenanordnung eine relativ große Auslegung derselben erforderlich, wenn man sie auch bei relativ niedrigen Außentemperaturen zur alleinigen Abdeckung des Wärmebedarfs verwenden, also auf eine bivalente Anordnung verzichten will.With regard to the different tendencies of curves b and c is therefore also in the case of a heat pump arrangement driven by an internal combustion engine a relatively large interpretation of the same is required, even if it is relatively use low outside temperatures to cover the heat demand alone, therefore wants to do without a bivalent arrangement.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmepumpenanordnung der im Oberbegriff des Hauptanspruchs genannten Art so auszubilden, daß eine Anlage, deren Kompressor zur Deckung des Wärmebedarfes bei mittlerer Wintertemperatur, z. B. etwa O OC, ausgelegt ist, auch bei sehr niedrigen Temperaturen {1 Außenluft, 7. B. - 10 his - 15 OC, nnd entsprechend höherem Wärmebedarf, beispielsweise eines Wohngebäudes, zur alleinigen Deckung dieses Bedarfes ausreicht. Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist gekennzeichnet durch die Merkmale des Hauptanspruchs.The invention is based on the object of a heat pump arrangement of the type mentioned in the preamble of the main claim so that a system, their compressor to cover the heat demand at medium winter temperatures, e.g. B. about O OC, is designed, even at very low temperatures {1 outside air, 7. B. -10 to -15 ° C, and a correspondingly higher heat requirement, for example one Residential building, is sufficient for the sole purpose of covering this need. The inventive The solution to this problem is characterized by the features of the main claim.
Erfindungsgemäß wird also die Abnahme der Antriebsleistung des Kompressors mit abnehmender Temperatur der Außenluft (Kurve a in Figur 1) gleichsam kompensiert durch Einschaltung einer zusätzlichen Motorbelastung, wobei diese zusätzliche Motorbelastung so groß sein kann, daß beim Einschalten derselben der Kompressor von dem Motor abgekuppelt wird.According to the invention, therefore, the decrease in the drive power of the compressor compensated as it were with decreasing temperature of the outside air (curve a in Figure 1) by switching on an additional engine load, this additional engine load can be so large that when the same is switched on, the compressor is uncoupled from the motor will.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung kennzeichnen die Unteransprüche.The subclaims characterize expedient refinements of the invention.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand Figur 3, seine Wirkungsweise anhand Figur 2 erläutert.An exemplary embodiment of the invention is illustrated below with reference to FIG 3, its mode of operation is explained with reference to FIG.
Dieses Ausführungsbeispiel bezieht sich auf die im Anspruch 2 angegebene Motorbelastung durch eine Strömungsbremse.This embodiment relates to that specified in claim 2 Motor load from a flow brake.
Die Welle des Verbrennungsmotors 1, dessen Abgaswärme über den Wärmetauscher 2 und dessen Kühlwasserwärme über den Wärmetauscher 3 im Heizwasservorlauf 4 das Heizwasser aufheizen, steht über die Elektromagnetkupplung 5 mit dem Kompressor 6 für das über die Leitung 7 vom Verdampfer 16 kommende Kältemittel in drehfester Verbindung; der Kompressor 6 führt das Kältemittel (zur Verflüssigung) über die Leitung 8 dem Kondensator 9 zu, dessen Wärmetauscherschlange 10 ebenfalls in dem Heizwasservorlauf 4 liegt. Insoweit ist die Wärmepumpenanordnung bekannt; ihr Verhalten ist durch die Kurven in Figur 1 gekennzeichnet.The shaft of the internal combustion engine 1, its exhaust gas heat through the heat exchanger 2 and its cooling water heat via the heat exchanger 3 in the heating water flow 4 the Heating up the heating water is available via the electromagnetic clutch 5 with the compressor 6 for the refrigerant coming from the evaporator 16 via the line 7 in a non-rotatable manner Link; the compressor 6 leads the refrigerant (for liquefaction) over the Line 8 to the condenser 9, the heat exchanger coil 10 also in the Heating water flow 4 is present. To this extent, the heat pump arrangement is known; her behaviour is indicated by the curves in FIG.
Erfindungsgemäß ist mit dem Verbrennungsmotor 1 über eine weitere Elektromagnetkupplung 11 die Strömungsbremse 12 kuppelbar, die einen bekannten und daher hier nicht heschriehenen Aufbau besitzt und in dem Zweig 13 des Wasservorlaufs liegt.According to the invention, the internal combustion engine 1 has a further Electromagnetic clutch 11, the flow brake 12 can be coupled, which is a known and therefore does not have the following structure here and in the branch 13 of the water supply lies.
Über das Zweiwegeventil 14 kann der Heizwasservorlauf wahlweise unter Umgehung der Strömungsbremse 12 oder über dieselbe durchgeschaltet werden. Im letztgenannten Falle verläuft der Heizwasserkreis also über den Heizwasserrücklauf 15, die drei Wärmetauscher 10, 3 und 2 sowie die Strömungsbremse 12.Via the two-way valve 14, the heating water flow can optionally under Bypassing the flow brake 12 or can be switched through via the same. In the latter The case of the heating water circuit runs through the heating water return 15, the three Heat exchangers 10, 3 and 2 and the flow brake 12.
Durch das Einschalten der Strömungsbremse 12, also das Wirksammachen der Kupplung 11, wird bei tiefen Temperaturen der Außenluft eine zusätzliche Belastung für den Verbrennungsmotor 1 geschaffen, die der Abnahme der Antriebsleistung des Kompressors 6 mit der Temperatur Rechnung trägt. Die Verhältnisse sind im einzelnen aus Figur 2 ersichtlich, in der wiederum verschiedene Leistungen P über der Außenlufttemperatur T aufgetragen sind: Mit a ist wiederum der Verlauf der Antriebsleistung des Kompressors bei konstanter Drehzahl bezeichnet. Im Punkt A, d. h. bei einer relativ niedrigen Außenlufttemperatur, wird über die Kupplung 5 (siehe Figur 3) der Kompressor 6 abgeschaltet und über die Kupplung 11 die Strömungsbremse 12 zugeschaltet. Die Kurve b für die Ileizleistung der Wärmepumpenanordnunz springt im Betriebspunkt A also gleichsam auf den konstanten Wert B', wodurch dem Ansteig des Wärmebedarfs des Gebäudes oder dergleichen gemäß Kurve c Rechnung getragen wird. Die Darstellung gilt wiederum für eine konstante Motordrehzahl. Sofern, wie hier angenommen, der Kompressor 6 über die Kupplung 5 im Betriebspunkt A abgeschaltet wird, liegt in Figur 2 bei Temperaturen rechts vom Betriebspunkt A reiner Wärmepumpenbetrieb, dagegen links vom Betriebspunkt A, d. h. bei tiefen Außenlufttemperaturen, Heizbetrieb mit alleiniger Motorbelastung durch die Strömungsbremse 12 vor.By switching on the flow brake 12, ie making it effective the clutch 11 becomes an additional burden at low temperatures of the outside air created for the internal combustion engine 1, the decrease in the drive power of the Compressor 6 takes into account the temperature. The relationships are shown in detail in the figure 2 can be seen in which, in turn, various outputs P over the outside air temperature T are plotted: With a is again the course of the drive power of the compressor referred to at constant speed. At point A, d. H. at a relatively low Outside air temperature, the compressor 6 is switched off via the clutch 5 (see FIG. 3) and the flow brake 12 is switched on via the clutch 11. The curve b for the The output of the heat pump arrangement jumps at operating point A, so to speak to the constant value B ', which increases the heat demand of the building or the like according to curve c is taken into account. The representation applies again for a constant engine speed. If, as assumed here, the compressor 6 is switched off via the clutch 5 at operating point A, is in Figure 2 at temperatures to the right of operating point A pure heat pump operation, on the other hand to the left of operating point A, d. H. at low outside air temperatures, heating operation with sole engine load by the flow brake 12 before.
Neben diesen beiden Grenzfällen ist es jedoch auch möglich, mit dem Motor sowohl den Kompressor als auch die Strömungstr ,nse gleichzeiLtg zu betreiben, d. h. den Motor z! itzlich zu der vom Kompressor abgenommenen Leistung zu belasten. Maßgebend für den Betriebspunkt, an dem der Kompressor vom Motor abgekuppelt wird, ist die Auslegung bzw. die maximal zulässige Drehzahl des Kompressors.In addition to these two borderline cases, however, it is also possible to use the Motor to operate both the compressor and the flow stream at the same time, d. H. the engine z! in addition to the power consumed by the compressor. Decisive for the operating point at which the compressor is disconnected from the engine, is the design or the maximum permissible speed of the compressor.
Anstelle der vorstehend beschriebenen Strömungsbremse kann gemäß anspruch 3 und Figur 4 zur zusätzlichen oder alleinigen Motorbelastung mit dem Verbrennungsmotor 1 ein elektrischer Generator 17 verbunden werden, der eine Widerstandsheizung 18 speist, welcne analog wie die Strömungsbremse 12 im eizflüssigkeitsvorlauf angeordnet ist. Für die Betriebs- und Wirkungsweise dieser Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes gelten die in Verbindung mit Figur 2 und 3 gemachter Ausführungen sinngemäß. Da die Ausbildung von elektrischen Generatoren und Widerstandsheizungen bekannt ist, werden diese Anlagenteile hier nicht näher beschrieben.Instead of the flow brake described above, according to claim 3 and FIG. 4 for the additional or sole engine load with the internal combustion engine 1, an electrical generator 17 can be connected to a resistance heater 18 feeds, which are arranged in the same way as the flow brake 12 in the egg fluid flow is. For operational and How this embodiment works of the subject matter of the invention, those made in connection with FIGS. 2 and 3 apply Remarks accordingly. As the training of electrical generators and resistance heating is known, these parts of the system are not described in detail here.
Wie Figur 2 zeigt, kann durch die erfindungsgemäßen Maßnaltrnen die Heizieistung der Anordnung bei tiefen Temperaturen r.çesenlich erhöht werden. Man wird den Betriebspunkt A, bei der die Einschaltung der zusätzlichen Belastung des Motors bzw.As FIG. 2 shows, the dimensional barrels according to the invention allow the The heating power of the arrangement can be increased significantly at low temperatures. Man becomes the operating point A, at which the activation of the additional load of the Motors resp.
die Umschaltung des Motors auf alleinigen Antrieb der Strömungsbremse bzw. des Generators erfolgt, so wählen, daß er zumindest ungefähr zusammenfällt mit dem Schnittpunkt der Kurven b und c. Die Möglichkeit der Abschaltung des Klimakompressors bei diesen tiefen Temperaturen ist insofern besonders vorteilhaft, als bei Vereisungsgefahr des Verdampfers der Wärmeentzug aus der Außenluft ohnehin erschwert zird u;-durch den eigentlichen Wärmepumpenbetrieb, d. h. den Weiterbetrieb des Kompressors, der Wirkungsgrad der gesamten Anordnung allenfalls noch geringfügig verbessert werden kann.switching the motor to the sole drive of the flow brake or the generator takes place, choose so that it coincides at least approximately with the intersection of curves b and c. The possibility of switching off the air conditioning compressor at these low temperatures is particularly advantageous in that there is a risk of freezing of the evaporator the extraction of heat from the outside air is made more difficult anyway the actual heat pump operation, d. H. the continued operation of the compressor, the The efficiency of the entire arrangement can at most be improved slightly can.
Verständlicherweise bedingt der Betrieb mit zusätzlicher bzw höherer Last als der des Kompressors einen zusätzlichen Bedarf des Motors an Brennstoff. Da aber Betriebszustände, die die Einschaltung der zusätzlichen bzw. höheren Last erfordern.Understandably, the operation requires additional or higher Load than that of the compressor has an additional demand on the engine for fuel. But there are operating states that require the switching on of the additional or higher load require.
relativ selten und kurzzeitig auftreten, ist dieser Mehrvebrauch an Brennstoff gegenüber dem reinen Wärmepumpenbetrieb praktisch vernachlässigbar. Der Mehrverbrauch an Brennstoff schlägt umso weniger zu Buche, als die Anordnung wärmepum?e>-seitig, d. h. bezüglich der Auswahl des Kompressors, nicht für den Betrieb bei tiefen Außentemperaturen ausgelegt zu werden braucht und auf ein bivalentes Heizsystem verzichtet werden kann. Außerdem bietet die Verwendung der erfindungs- gemäßen Strömungsbremse bzw. der vom Generator gespeisten Widerstandsheizung den Vorteil, daß die Motorleistung unmittelbar bzw. mittelbar ollne wesentliche Energieverluste in Wärmeenergie umgewandelt und in einem weiteren, letzten Wärmetauscher an das IJeizwasser abgegeben wird, in welchem dieses auf die bei sehr niedrigen Außentemperaturen erforderliche hohe Vor]auftemperatur erhitzt wird.occur relatively rarely and for a short time, this multiple use is on Fuel is practically negligible compared to pure heat pump operation. Of the Increased fuel consumption has less of an impact than the arrangement of the heat pump on the side, d. H. regarding the selection of the compressor, not for operation at low outside temperatures needs to be designed and a bivalent heating system can be dispensed with can. In addition, the use of the invention appropriate flow brake or the resistance heating fed by the generator has the advantage that the engine power directly or indirectly ollne significant energy losses converted into thermal energy and is delivered to the heating water in a further, last heat exchanger, in which this to the high required at very low outside temperatures Before] is heated to temperature.
Die Vorteile der bekannten verbrennungsmotorisch betriebenen Wärmepumpen, die darin bestehen, daß ihre Heizleistung einem abnehmenden Wärmebedar f (bei steigenden Außenlufttemperaturen) durch Verringerung der Motor- und Kompressordrehzahl ohne Einsatz aufwendiger Regeleinrichtungen leicht angepaßt werden kann, gelten für die erfindungsgemäße Wärmepumpenanordnung auch für relativ niedrigc Außentemperaturen: Auch die in Figur 2 durch Linie b gekennzeichnete Heizleistung kann durch Regelung der IJ\otordrehzahl dem jeweiligen Heizbedarf angepaßt werden. Eine Veränderung der Motordrehzahl hat im iibrigen auch bei Koppelung des Motors mit einem elektrischen Generator, der eine Winderstandsheizung speist, keine negativen Auswirkunge, da eine Veränderung der im Generator erzeugten Stromfrequenz für den Betrieb der Widerstandsheizung unerheblich ist.The advantages of the well-known internal combustion engine driven heat pumps, which consist in the fact that their heating output corresponds to a decreasing heat demand (with increasing Outside air temperatures) by reducing the engine and compressor speed without Use of complex control devices can be easily adapted, apply to the Heat pump arrangement according to the invention also for relatively low outside temperatures: The heating power indicated by line b in FIG. 2 can also be controlled the IJ \ otor speed can be adapted to the respective heating requirement. A change the motor speed has incidentally also when the motor is coupled with an electrical one Generator that feeds wind resistance heating, no negative effects, because a change in the current frequency generated in the generator for the operation of the resistance heating is irrelevant.
Die erfindungsgemäße Wärmepumpenanordnung bietet auch die Möglichkeit, Motoren mit relativ engem Drehzahlbereich zu verwenden und die Wärmeleistung der Anordnung vorzugsweise durch die Motorbelastung - allein durch den Kompressor und die Vorrichtung zur Umwandlung der mechanischen Energie in Wärmeenergie oder allein durch die zuletzt genannte Vorrichtung - zu regeln.The heat pump arrangement according to the invention also offers the possibility of Use motors with a relatively narrow speed range and the heat output of the Arrangement preferably by the engine load - solely by the compressor and the device for converting mechanical energy into thermal energy or alone by the last-mentioned device - to regulate.
Als Wärmequelle kann statt der Außenluft auch eine Flüssig-]eit, beispielsweise Grund- oder Abwasser, dienen. Wenn auch die Temperatur dieser Wärmequelle weitgehend konstant sein mag, kann die Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahmen auch in diesem Fall vorteilhaft sein, weil beispielsweise b-i einer Verringerung der verfügbaren Wassermenge der Motor mit shr hohen Drehzahlen betrieben werden kann, ohne daß ein für diese Drehzahlwerte dimensionierter Kompressor vorgesehen sein muß.Instead of the outside air, a liquid, for example Groundwater or sewage. Even if the temperature of this heat source is largely may be constant, the application of the measures according to the invention can also in this case be advantageous because, for example, b-i a reduction in the available Amount of water the engine can be operated at shr high speeds without a A compressor dimensioned for these speed values must be provided.
Eine im Rahmen der Erfindung verwendbare Strömungsbremse ist im Prospekt L 3051 Hydraulische Leistungsbremse" der Firma Schenck beschrieben. Eine Ströinungsbremse hat den bosonleren Vorteil, relativ sehr kleine Abmessungen zu besitzen.A flow brake that can be used in the context of the invention is in the prospectus L 3051 Hydraulic Performance Brake "from Schenck. A flow brake has the more bosonleren advantage of having relatively very small dimensions.
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| OGA | New person/name/address of the applicant | ||
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